Stefan Gelbhaar wurde 1976 in Berlin-Friedrichshain geboren. Er wuchs in Berlin-Pankow auf, wo er auch heute lebt. 2002 schloss er sein Studium der Rechtswissenschaften an der Humboldt-Universität zu Berlin ab, es folgte das Referendariat im Land Brandenburg mit verschiedenen Stationen bei Gerichten, Verwaltungen und Institutionen, etwa im Bundestag oder in einer Kanzlei in Kapstadt. Nach dem 2. Staatsexamen nahm er die Tätigkeit als Rechtsanwalt und Strafverteidiger in einer Berliner Kanzlei auf.

​Seit 2000 ist Gelbhaar Mitglied der Bündnisgrünen. Zunächst bei der Grünen Jugend aktiv, wurde er zuerst (stellvertretender) Bürgerdeputierter im Ausschuss für Wirtschaft und öffentliche Ordnung der Pankower Bezirksverordnetenversammlung, arbeitete ab 2004 zunächst als Beisitzer und später als Kreisvorsitzender bei Bündnis 90/Die Grünen Pankow mit.

​Im März 2007 wurde er in den Berliner Landesvorstand gewählt. Ein Jahr später wurde er zum Landesvorsitzenden von Bündnis 90/Die Grünen Berlin gewählt. Thematische Schwerpunkte seiner dreijährigen Arbeit als Landesvorsitzender waren die Entwicklung der Kampagne A100-stoppen, aber auch die Berliner Mieten- und Quartiersentwicklung (z.B. Mietenblog).

​Im September 2011 wurde er ins Berliner Abgeordnetenhaus gewählt und arbeitete in der Fraktion als verkehrspolitischer Sprecher (ÖPNV, Rad- und Fußverkehr) und als medien- und netzpolitischer Sprecher. Von November 2011 bis Dezember 2017 war Gelbhaar zudem stellvertretender Fraktionsvorsitzender. Bei der Wahl zum Abgeordnetenhaus von Berlin 2016 kandidierte Gelbhaar für den Wahlkreis Pankow 8 und konnte mit einem Erststimmenergebnis von 29,8 Prozent das Direktmandat gewinnen.

Für die Bundestagswahl am 24. September 2017 trat Gelbhaar als Direktkandidat für den Wahlkreis 76 – Pankow an. Die Berliner Mitgliederversammlung von Bündnis 90/Die Grünen wählte ihn im März 2017 zudem auf Platz 2 der Landesliste. Seit September 2017 ist Stefan Gelbhaar Mitglied des Deutschen Bundestages. Von 2017 bis 2021 war er Obmann des Ausschusses für Verkehr und digitale Infrastruktur sowie Sprecher für Radverkehr, zudem seit 2020 Sprecher für Verkehrspolitik der Bundestagsfraktion Bündnis 90/Die Grünen. Bei der Bundestagswahl im September 2021 konnte Gelbhaar das Direktkandidat für den Wahlkreis 76 – Pankow gewinnen und ist seitdem Sprecher für Verkehrspolitik und Mitglied des Erweiterten Fraktionsvorstands. Seit 2021 ist Gelbhaar Sprecher der Landesgruppe Ost und der Landesgruppe Berlin der Bundestagsfraktion Bündnis 90/Die Grünen stellvertretender Vorsitzender der
Deutsch-Koreanischen Parlamentariergruppe.

Stefan Gelbhaar ist Mitglied im Aufsichtsrat der DB Holding,  Vizepräsident des Humanistischen Verbandes Berlin-Brandenburg und Vorstandsmitglied im Bildungswerk Berlin der Heinrich-Böll-Stiftung.