Nata a Breslavia da genitori ebrei, ultima di 11 figli, frequentò tra il 1911 e il 1913 l'università di Breslavia, seguendo i corsi di psicologia e di germanistica dei professori Stern e Hönigswald. Nel 1913 iniziò a seguire i corsi di Edmund Husserl all'università di Göttingen ed entrò a far parte del Circolo fenomenologico di Husserl, al quale appartenevano gli allievi più brillanti del padre della fenomenologia. In questa cerchia ristretta conosce Max Scheler e, qualche anno più tardi, il giovane Martin Heidegger.
Nel gennaio 1915 sostiene l'esame di abilitazione alla docenza universitaria (Propedeutica filosofica, Storia e Tedesco), ma anziché incominciare subito l'attività d'insegnamento decide di prestare servizio volontario come crocerossina nell'ospedale per malattie infettive di Märisch-Weissenkirche, dove resterà sino al febbraio del 1916. Dopo un breve periodo di insegnamento in un liceo di Breslavia, nell'estate del 1916 su richiesta di Husserl si trasferisce a Freiburg in Brisgau, dove il filosofo è a sua volta trasferito, e assume l'incarico di assistente volontaria dello stesso Husserl. A Freiburg termina la preparazione della sua dissertazione di dottorato (Il problema dell'empatia, 1917) e la discute, ottenendo il dottorato in filosofia summa cum laude.
Nell'estate del 1921, dopo avere letto la Vita di S. Teresa d'Avila, entra in una fase di profonda crisi spirituale. Nel gennaio 1922 decide di convertirsi al cristianesimo e riceve il battesimo nella chiesa parrocchiale cattolica di Bergazbern. Si tratta di una decisione sofferta, che la conduce anche al distacco da Husserl e dalla sua cerchia e la induce ad accettare un incarico di insegnamento (Germanistica) presso l'Istituto Santa Maddalena delle suore domenicane di Spira, dove resterà sino al 1930. Nell'ultimo periodo della sua permanenza a Spira si occupa attivamente di pedagogia, partecipando a giornate di studi e congressi in Germania e all'estero. Nel 1932, infine, riceve un incarico di docenza presso l'Istituto universitario di pedagogia scientifica a Münster.
Nel 1933, dopo l'ascesa al potere dei nazionalsocialisti, le viene vietato di esercitare l'attività d'insegnamento. Ha così inizio una nuova fase di crisi spirituale, che condurrà la Stein a chiedere e ad ottenere, nel settembre del 1933, di diventare suora di clausura. Il 14 ottobre 1933 viene accolta come novizia dalle Carmelitane Scalze di Colonia; il 15 aprile 1934 sceglie il nome claustrale di Theresia Benedicta a Cruce e il 21 aprile 1935 prende i voti temporanei per tre anni.
Nel 1936 i superiori dell'Ordine carmelitano sollecitano la Stein a riprendere gli studi e l'attivitò scientifica, dispensandola dai lavori comunitari. Nell'aprile del 1938 prende i voti perpetui, ma nel dicembre dello stesso anno, in seguito alle violente persecuzioni antisemite da parte dei nazisti, lascia con il consenso dell'Ordine il convento di Colonia e si trasferisce nel convento di Echt, in Olanda.
Qui, nell'agosto del 1942 viene arrestata dalla Gestapo e internata nel campo di transito di Drente-Westerbork, in Olanda. Insieme a lei viene arrestata anche la sorella Rosa, che dopo la morte della madre viveva con lei a Echte. Deportata ad Auschwitz cinque giorni dopo l'arresto, il 9 agosto 1942, il giorno stesso dell'arrivo nel campo di sterminio, venne uccisa in una camera a gas insieme alla sorella e il suo cadavere venne gettato in una fossa comune.
Nel 1962 il Vaticano ha aperto il processo informativo per la sua beatificazione e il 7 settembre del 1972 è stato ufficialmente aperto il processo della canonizzazione.