Стеллер (или Штеллер) родился 10 марта 1709 года в Виндсхейме (Германия, Нижняя Франкония) в семье кантора латинской школы и органиста церкви Святого Килиана Йоханнеса Якоба Штеллера и Сюзанны Луизы, урожденной Бауманн. О детстве его известно мало. Есть сведения, что в возрасте пяти лет он поступил в низший класс школы, в которой преподавал его отец, и до самого ее окончания был в числе первых учеников. Получив аттестат, Стеллер в сентябре 1729 года отправился в Виттенберг, где стал изучать теологию в университете, получая стипендию, определенную ему магистратом Виндсхейма.
Из-за происшедшего в Виндсхейме в декабре 1730 года сильного пожара, нанесшего городу колоссальный ущерб, выплата стипендии прекратилась. Одновременно Стеллер начал понимать, что Виттенбергский университет уже не удовлетворяет его тягу к получению новых знаний. После некоторых колебаний он выбрал Университет Галле (близ Лейпцига), который ранее окончил его старший брат, и поступил туда в апреле 1731 года. Для продолжения образования Стеллеру приходилось зарабатывать себе на жизнь. В июле 1731 года он получил должность учителя немецкого языка в приютской школе Вайзенхаус, а четыре месяца спустя — в латинской школе.
С 1732 года начинается серьезное увлечение Стеллера ботаникой. В Университете Галле естественную историю преподавали профессора медицинского факультета и ботаника рассматривалась скорее как дополнение к фармакологии: изучались в основном целебные свойства растений. Еще в 1697 году студентам Университета Галле было разрешено давать частные уроки своим товарищам, и в мае 1732 года Стеллер открыл свой первый ботанический класс. Во время каникул он предпринял экскурсии в район рудника Штольберг и в Гарц, изучая местную флору. В Университете Галле Стеллер провел три года.
В августе 1734 года по совету знаменитого медика, профессора Фридриха Хоффманна, Стеллер отправился в Берлин, чтобы держать экзамен в Медицинской Оберколлегии. По мнению Хоффманна, диплом, выданный Оберколлегией, позволил бы получить должность на кафедре ботаники в Галле. В Берлине Стеллер держал частный экзамен у известного ботаника Михаэля Матиаса Лудольфа, выдержал он экзамен и в Оберколлегии. Однако назначение на должность в Галле по не зависящим от Стеллера причинам затягивалось, а деньги кончались.
Еще раньше Стеллеру приходила в голову мысль попытаться сделать научную карьеру в России. Теперь он эту мысль претворил в жизнь и в ноябре 1734 года по совету Хоффманна, тесно связанного с Санкт-Петербургской Академией наук, прибыл в Кронштадт. Руководивший школой Вайзенхаус Готтхильф Франке, также имевший связи в России, очевидно, снабдил его рекомендательными письмами, в том числе к архиепископу Феофану Прокоповичу, сподвижнику Петра Великого, реформатору, историку и поэту. У Прокоповича Стеллер стал домашним врачом.
Молодой немец, очевидно, пришелся по душе отличавшемуся суровым нравом архиепископу, который относился к нему вполне по-отечески и закрывал глаза на некоторые упущения по службе, вызванные частыми отлучками для изучения флоры окрестностей Петербурга. В середине прошлого века в библиотеке Санкт-Петербургской семинарии был обнаружен автограф шутливого стихотворения Прокоповича на латыни, озаглавленного „In moram Stellei medici” (На промедление Стеллеровых целебных растений). Стихотворение повествует, что, пока Стеллер ищет целебные травы для больного, тот умирает в страшных мучениях. Покойника уже похоронили, а Стеллера все нет. Другие больные изо всех сил цепляются за жизнь и всячески порицают опаздывающего Стеллера. Наконец тот появляется, рассерженный на Судьбу за то, что она осмелилась его опередить.
Благодаря Прокоповичу и Хоффманну, ставшему к тому времени почетным членом Санкт-Петербургской Академии наук, Стеллер обзавелся в России полезными знакомствами и в январе 1737 года стал адъюнктом натуральной истории Академии. Назначение подразумевало, что он вскоре отправится на Камчатку для участия в экспедиции Беринга. Незадолго до отъезда Стеллер женился на Бригитте-Хелене Мессершмидт, вдове известного естествоиспытателя, исследователя Сибири Даниила Готтлиба Мессершмидта.
Еще в августе 1733 года из Петербурга в Сибирь отправилась основная часть Академического отряда Второй Камчатской экспедиции в составе профессоров Г. Ф. Миллера, И. Г. Гмелина, Л. Делиль де ла Кройера, студентов С. П. Крашенинникова, А. П. Горланова, Ф. Попова, „рисовальных дел мастеров” И. X. Беркгана, И. В. Люрсениуса и других. Позже к ним присоединились адъюнкт И. Э. Фишер и переводчик Я. И. Линденау. В январе 1738 года Стеллер отправился догонять отряд. Проехав Москву, Касимов, Нижний Новгород, он спустился по Волге до Казани, оттуда поднялся вверх по Каме до Кунгура, затем проследовал через Екатеринбург, Тобольск и Нарым в Томск, куда прибыл в конце года. В Томске Стеллер в первый раз переболел горячкой. В январе 1739 года Стеллер прибыл в Енисейск, где встретился с Г. Ф. Миллером и И. Г. Гмелиным, а оттуда выехал в Иркутск, где находился почти год — с 23 марта 1739 года по 6 марта 1740 года. Повсюду, иногда далеко уклоняясь от основного маршрута, Стеллер собирал и описывал местные растения, среди которых были сотни видов, неизвестных европейской науке.