A finales de la década de 1950, DC Comics creó la Liga de la Justicia haciendo más populares a los superhéroes de los cómics. En respuesta, el editor Lee fue contratado para idear un nuevo equipo de superhéroes. La esposa de Lee, Joan, le dijo que experimentara con historias que le gustaran, ya que pensaba cambiar de carrera y no tenía nada que perder.
Lee siguió el consejo de su esposa y creó un conjunto de héroes con defectos de carácter porque muchos héroes anteriores eran vistos como seres casi perfectos.
Los primeros superhéroes que Lee y el artista Jack Kirby crearon juntos fueron los Cuatro Fantásticos. Se hicieron populares, lo que llevó a Lee y a los dibujantes de Marvel a crear nuevos héroes. Trabajando de nuevo con Kirby, Lee cocreó a Hulk, Thor, Iron Man y los X-Men; con Bill Everett, a Daredevil; y con Steve Ditko, al Doctor Extraño y al personaje de más éxito de Marvel, Spiderman. Como resultado, Lee creó un universo compartido entre los héroes de ficción. Lee y Kirby combinaron varios de sus personajes recién creados en el título de equipo Los Vengadores.
La revolución de Lee se extendió más allá de los personajes y los argumentos a la forma en que los cómics involucraban a los lectores y construían un sentido de comunidad entre los aficionados y los creadores. Introdujo la práctica de incluir regularmente un panel de créditos en la página de inicio de cada historia, nombrando no sólo al guionista y al dibujante, sino también al entintador y al dibujante. Las noticias periódicas sobre los miembros del personal de Marvel y los próximos arcos argumentales se presentaban en la página Bullpen Bulletins, que (al igual que las columnas de cartas que aparecían en cada título) se escribía en un estilo amistoso y parlanchín. Lee comentaba que su objetivo era que los fans consideraran a los creadores de cómics como amigos, y consideraba una marca de su éxito en este frente el hecho de que, en una época en la que las cartas dirigidas a otros editores de cómics solían dirigirse "Querido editor", las cartas dirigidas a Marvel se dirigían a los creadores por su nombre de pila (por ejemplo, "Queridos Stan y Jack").
En la década de 1960, Lee escribió, dibujó y editó la mayoría de las series de Marvel y escribió una columna mensual llamada "Stan's Soapbox". Redactó un sinfín de textos promocionales, a menudo firmados con su lema característico, "¡Excelsior!". Lee realizaba una lluvia de ideas sobre una historia con el artista y luego preparaba una breve sinopsis en lugar de un guión completo. Basándose en la sinopsis, el artista rellenaba el número de páginas restantes determinando y dibujando la narración panel a panel.
Después de que Ditko dejara Marvel en 1966, John Romita Sr. se convirtió en el colaborador de Lee en The Amazing Spider-Man. En el plazo de un año, superó a Los Cuatro Fantásticos para convertirse en el libro más vendido de la compañía. Las historias de Lee y Romita se centraban tanto en la vida social y universitaria de los personajes como en las aventuras de Spiderman. Las historias hablaban de temas de la época como la guerra de Vietnam, las elecciones políticas y el activismo estudiantil. Lee creó a la Pantera Negra, un rey africano que sería el primer superhéroe negro de los cómics convencionales.
Lee y el artista John Buscema crearon la serie The Silver Surfer en agosto de 1968.
Al año siguiente, Lee y Gene Colan crearon al Halcón, el primer superhéroe afroamericano de los cómics en el Capitán América #117 (septiembre de 1969). Luego, en 1971, Lee ayudó a cambiar el Comics Code. El Departamento de Salud, Educación y Bienestar de los Estados Unidos había pedido a Lee que escribiera una historia de cómic sobre los peligros de las drogas. Como resultado, Lee creó una historia de tres números en The Amazing Spider-Man #96-98 (con portada de mayo-julio de 1971), en la que el mejor amigo de Peter Parker se vuelve adicto a los medicamentos recetados. La Comics Code Authority no lo aprobó porque las historias mostraban el consumo de drogas. Sin embargo, Lee hizo publicar la historia sin el sello de aprobación de la autoridad. Los cómics se vendieron bien y Marvel recibió críticas positivas por su enfoque en temas sociales maduros.
Lee era partidario de utilizar los cómics para criticar los acontecimientos sociales del mundo real, hablando a menudo del racismo y la intolerancia.
En 1972, Lee dejó de escribir cómics mensuales para convertirse en editor. Su último número de The Amazing Spider-Man fue el 110 (julio de 1972) y su último Fantastic Four fue el 125 (agosto de 1972).
