一九二六年出生於東京，本名星親一。父親是星藥科大學及星製藥的創建者星一，森鷗外為其外祖母的兄長。一生擅長極短篇，一生共創作一千多篇，其中不少構思奇特，情節曲折，文學價值與哲理意義兼具。素有「極短篇小說之神」之美譽，亦被視為日本科幻小說的「先驅者」。與小松左京和筒井康隆並稱「科幻御三家」。曾獲日本推理作家協會賞、日本SF大賞特別賞。曾設立「星新一極短篇小說競賽」，並親自評選，逝世後，日本經濟新聞社以其名設立「星新一文學獎」，鼓勵有志於短篇與科幻寫作的後進。
一九五一年父親驟逝，年僅二十五歲的星新一被迫從研究所退學，接管父親事業。當時經營狀況已經惡化，最終不可收拾。公司轉手後星新一一度患病，在病床上讀雷．布萊伯利的《火星紀事》，深受影響。開始對飛碟等事物產生濃厚興趣。他經常參加飛碟研究會的活動，與會成員有三島由紀夫、石原慎太郎等人。
一九五七年，星新一與柴野拓美一起創立科幻雜誌《宇宙塵》。第二期雜誌中刊登的〈神祕機器〉一作受到矚目，轉載到《寶石》雜誌上。一九五八年，星新一參加青年推理小說社團「他殺俱樂部」。一九六○年，作品陸續刊登於《希區考克雜誌》、《文春漫畫讀本》，廣受矚目。一九六三年參與創立日本科幻作家俱樂部，此後逐步奠定在日本科幻界的巨匠地位，擔任多部特攝電影腳本企畫或顧問職務。一九九四年罹口腔癌，經常往來醫院，一九九六年起長臥病榻，一九九七年十二月三十日，因肺炎病逝於東京，享年七十一歲。