Gimė 1892 metų rugsėjo 14 d. Tuminiškėse, netoli Agluonos. 1903 metais baigė pradžios mokyklą Tukume, 1911 m. – gimnaziją Mintaujoje (aukso medaliu), 1915 m. – Matavimo institutą Maskvoje, ligi 1919 m. tęsė mokslą Žemės ūkio akademijoje šalia Maskvos. Nuo 1917 dėstė Matavimo institute ir kitose mokyklose, vasarą vykdė geodezinius ir hidrometrinius darbus. 1921 metais su šeima grįžo į Lietuvą, dėstė Dotnuvos žemės ūkio technikume ir Kauno aukštojoje technikos mokykloje. Nuo 1922 m. Lietuvos universitete – docentas, vėliau profesorius: buvo Hidrologijos ir hidraulikos katedros vedėjas, Senato sekretorius, Statybos fakulteto dekanas, „Technikos“ redaktorius. 1923 metais įsteigė Lietuvos hidrometrijos biurą ir jam vadovavo iki 1931-ųjų. Aktyviai dalyvavo periodinėje spaudoje („XX amžius“, „Židinys“, „Naujoji Romuva“, „Kosmos“, „Žemėtvarka ir melioracija“, „Mūsų girios“, „Geležinkelininkas“, „Skautų aidas“, „Lietuvos aidas“ ir kt.). Žymesni darbai: „Hidrometrija“ (2 tomai), 1930–1940; „Hidrometriniai metraščiai“, 1929, 1930; „Hidraulika“, 1946; „Nemunas“, 1940 ir 1950; „Nevėžis“, 1936; „Mūsų vandens keliai“, 1933 ir 1938.
1944 metais pasitraukęs iš Lietuvos į Vakarus, jis kurį laiką dirbo Pabaltijo universitete, Vokietijoje. 1948 metais išvyko į JAV ir ten profesoriavo Notre Dame universitete, kur įrengė modernią hidraulikos laboratoriją ir tęsė Lietuvoje pradėtus hidrometrinius tyrimus. 1950 metais Čikagoje buvo išleista papildyta monografija „Nemunas“, kiek vėliau – „Lietuvos hidrografija“, „Lietuvos ežerai“ ir kitos knygos.Dalyvavo įvairiose tarptautinėse konferencijose.
Lietuvos fizinei geografijai reikšmingiausi buvo S. Kolupailos išleistieji „Hidrometriniai metraščiai“ (Kolupaila, 1929, 1930) ir Nemuno bei kitų Lietuvos upių nuotėkį apibendrinantys darbai (Kolupaila, 1925, 1932, 1939). Įdomios S. Kolupailos mintys apie sausinamųjų melioracijų poveikį upių nuotėkiui, ežerų vandens lygiams. Jis yra palikęs darbų, kuriuose išdėsto savo nuomonę apie kai kurių fizinių geografinių veiksnių įtaką upių nuotėkiui, miško vandens balansą bei miško vaidmenį upių nuotėkyje. S. Kolupaila buvo nenuilstamas hidroenergetikos propaguotojas. Profesorius savo atsiliepimuose apie vieną ar kitą hidrotechninį projektą visada aptardavo ir silpnąsias jo puses, galimus ekologinius ir socialinius padarinius. 1924 m. pasirodė didelis jo straipsnis „Lietuvos hidrografija“ (Kolupaila, 1924), kuriame profesorius pateikė duomenų apie Nemuno, Ventos, Lielupės–Mūšos, Baltijos jūros pakraščio upių ir Dauguvos intakų (Dysnos, Drujos ir kt.) baseinų plotus. S. Kolupaila iš viso išmatavo 206 upių baseinus, patikslino vandenvardžius. Daug S. Kolupailos hidrografinių duomenų nugulė į Kaune ir JAV leistas lietuviškas enciklopedijas, žemėlapius. Ryškus S. Kolupailos indėlis į Lietuvos teritorijos kartografavimą. Profesorių domino ir organizaciniai, ir techniškieji, ir moksliniai kartografijos klausimai. Dirbdamas Lietuvoje S. Kolupaila taip pat rūpinosi meteorologijos stočių įsteigimu ir ypač jų technine įranga. Domėjosi klimatologija, parašė specialių studijų. S. Kolupailos gausiame moksliniame palikime atrasime darbų, skirtų mokyklinei, pažintinei geografijai.
Steponas Kolupaila buvo labai aktyvus ne tik mokslinėje veikloje. Jis nuolat propagavo turistines išvykas, daug dėmesio skyrė Skautų sąjungai ir jauniems gamtininkams geografams. Skautų sąjungoje buvo kelionių vandens keliais organizatorius, Skautų tarybos narys, Lietuvių ir amerikiečių, taip pat Švedų ir lietuvių draugijų iždininkas, Lietuvos geografų draugijos valdybos narys ir vicepirmininkas, Lietuvos matininkų ir kultūrtechnikų sąjungos garbės narys, Lietuvos fotomėgėjų draugijos steigėjas ir pirmininkas.
1928 m. apdovanotasDidžiojo Lietuvos Kunigaikščio Gedimino 3 laipsnio ordinu.
Akademikas Steponas Kolupaila mirė 1964 m. JAV, Indianos valstijoje, Saut Bendo mieste.
1992 m. 100-ųjų profesoriaus gimimo metinių proga jo dukra Evelina Kolupailaitė ir žentas Bronius Masiokas įsteigė prof. S. Kolupailos premiją, skirtą studentams-hidrologams už laimėjimus studijuojant geodezijos, hidrologijos arba hidraulikos srityje.
Svarbiausieji S. Kolupailos darbai: Vietovardžių logika(1943), Gimtasis kraštas; Lietuvos ežerų vardai (1955), Mūsų Vytis,Nr.1; Lietuvos žemėlapis (1957),Aidai, Nr. 4; Lietuvos ežerai(1932); Nevėžis (1936); Mūsų vandens keliai(1933, 1938); Nemunas (1940, 1950); Lietuvos kartografijos uždaviniai (1927), Technika,Nr. 3; Medžiaga Lietuvos klimatologijai (1922–1923), Kosmos, Nr.1; Lietuvos meteorologijos ir hidrografijos tyrinėjimo reikalu (1924),Kultūra,Nr. 1.
