Encouragés par Jacques Doillon à travailler ensemble, les frères Foenkinos écrivent et réalisent le court métrage Une histoire de pieds[3] (2005), primé à de nombreuses reprises. En 2011, ils adaptent le roman à succès de David La Délicatesse, pour le long métrage éponyme, parcours sentimental accidenté d'une jeune femme en quête de renaissance avec Audrey Tautou et François Damiens. Le film rencontre son public en France, est nommé deux fois aux César et sort dans plus de 35 pays, entrant dans le top 15 des succès à l'étranger en 2012/2013. Début 2017, ils débutent le tournage de leur deuxième long-métrage, un scénario original intitulé Jalouse ; le film, sorti en novembre de la même année vaut à son interprète principale, Karin Viard, le Globe de Cristal de la meilleure interprète féminine de l'année et une nomination aux César de la meilleure actrice.
À la suite d’un clip pour le chanteur québécois Pierre Lapointe, Stéphane lui confie le rôle principal de sa Trilogie du Canard, courts-métrages situés entre Paris et Montréal aux côtés de Monia Chokri et de la chanteuse Emilie Simon.
Avec la cinéaste Stéphanie Murat et la scénariste Raphaëlle Desplechin, il s'est prêté au jeu du modèle en incarnant 55 écrivaines, pour une exposition photo présentée à la Galerie Dupin en 2011. Elle a été suivie d'une autre exposition rendant cette fois-ci hommage aux femmes politiques en juin 2015, inaugurée par François Hollande.
Il anime régulièrement des tables rondes et ateliers dédiés aux séries pendant le Festival du Film Américain de Deauville. En 2013, il est membre du jury du premier Festival du film canadien de Dieppe. En 2014, il est membre du jury de la première édition du Festival 7e Lune, à Rennes. Il est président ce même jury pour l'édition 2015.
En 2019, il adapte et met en scène Noire, de et avec Tania de Montaigne, créée au CDN de Rouen puis reprise au théâtre du Rond-Point[4] à Paris. La captation de ce spectacle produite par Arnaud Bertrand (984 production) et Philippe Thulier (adltv) et réalisée par François Hanss, a été diffusée le 19 mars 2021 sur France 5.
Après l’animation, l’écriture et la réalisation, Noire/Colored, exposition immersive, est sa première incursion dans l’univers de la réalité augmentée. Elle a été présentée en première mondiale au Centre Pompidou en avril 2023[5],[6],[7],[8].
2011 : Tous les visages, Pierre Lapointe, extrait de l’album Seul au Piano.
Mise en scène en réalité augmentée
Noire / Colored, adaptation immersive de la vie de Claudette Colvin en réalité augmentée par Stéphane Foenkinos et Pierre-Alain Giraud avec Tania de Montaigne en 2023 au Centre national d'art et de culture Georges-Pompidou[10], en Compétition officielle Festival de Tribeca[11], Londres LFF[12], Kaohsiung Film Festival[13] ,TIFA et tournée mondiale.