Eind jaren 1950 creëerde DC Comics de Justice League, waardoor superhelden in stripboeken populairder werden. Als reactie hierop werd uitgever Lee ingehuurd om een nieuw superheldenteam te bedenken. Lee's vrouw, Joan, zei dat hij moest experimenteren met verhalen die hij leuk vond, omdat hij van plan was van carrière te veranderen en niets te verliezen had.
Lee volgde het advies van zijn vrouw op en creëerde een reeks helden met karakterfouten, omdat veel helden voorheen werden gezien als bijna perfecte wezens.
De eerste superhelden die Lee en tekenaar Jack Kirby samen creëerden waren de Fantastic Four. Zij werden populair, waardoor Lee en de tekenaars van Marvel nieuwe helden creëerden. Opnieuw samenwerkend met Kirby, creëerde Lee de Hulk, Thor, Iron Man en de X-Men; met Bill Everett, Daredevil; en met Steve Ditko, Doctor Strange en Marvel's meest succesvolle personage, Spider-Man. Hierdoor creëerde Lee een gedeeld universum tussen de fictieve helden. Lee en Kirby combineerden verschillende van hun nieuw gecreëerde personages samen in de teamtitel The Avengers.
Lee's revolutie ging verder dan de personages en verhaallijnen en betrof ook de manier waarop stripboeken het lezerspubliek betrok en een gemeenschapsgevoel tussen fans en makers opbouwde. Hij introduceerde de gewoonte om regelmatig een credit panel op de splash page van elk verhaal op te nemen, waarin niet alleen de schrijver en tekenaar, maar ook de inkter en de letterer werden genoemd. Op de Bullpen Bulletins-pagina werd regelmatig nieuws over Marvel-medewerkers en komende verhaallijnen gepresenteerd, dat (net als de briefkolommen die in elke titel verschenen) in een vriendelijke, praatgrage stijl werd geschreven. Lee merkte op dat het zijn doel was dat fans de stripmakers als vrienden zouden beschouwen, en beschouwde het als een teken van zijn succes dat, in een tijd waarin brieven aan andere stripuitgevers meestal werden geadresseerd met "Beste redacteur", brieven aan Marvel de makers met hun voornaam aanspraken (bijv. "Beste Stan en Jack").
In de jaren 1960 schreef, tekende en redigeerde Lee de meeste series van Marvel en schreef hij een maandelijkse column genaamd "Stan's Soapbox". Hij schreef eindeloze promotieteksten, vaak onder het motto "Excelsior!". Lee brainstormde met de tekenaar over een verhaal en stelde dan een korte synopsis op in plaats van een volledig script. Op basis van de synopsis vulde de tekenaar het aantal resterende pagina's door de verhaallijn van paneel tot paneel te bepalen en te tekenen.
Nadat Ditko's Marvel in 1966 verliet, werd John Romita Sr. Lee's medewerker aan The Amazing Spider-Man. Binnen een jaar overvleugelde hij Fantastic Four en werd daarmee de bestseller van het bedrijf. De verhalen van Lee en Romita richtten zich evenveel op het sociale leven en het studentenleven van de personages als op de avonturen van Spider-Man. De verhalen gingen over onderwerpen uit die tijd, zoals de oorlog in Vietnam, politieke verkiezingen en studentenactivisme. Lee creëerde de Black Panther, een Afrikaanse koning die de eerste zwarte superheld van mainstream comics zou worden.
Lee en tekenaar John Buscema creëerden The Silver Surfer serie in augustus 1968.
Het jaar daarop creëerden Lee en Gene Colan de Falcon, de eerste Afro-Amerikaanse superheld in Captain America #117 (september 1969). In 1971 hielp Lee de Comics Code te veranderen. Het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid, Onderwijs en Welzijn had Lee gevraagd een stripverhaal te schrijven over de gevaren van drugs. Als gevolg daarvan creëerde Lee een verhaal van drie afleveringen in The Amazing Spider-Man #96-98 (cover gedateerd mei-juli 1971), waarin de beste vriend van Peter Parker verslaafd raakt aan voorgeschreven medicijnen. De Comics Code Authority keurde dit niet goed omdat de verhalen drugsgebruik afbeeldden. Lee liet het verhaal echter publiceren zonder het keurmerk van de autoriteit. De strips verkochten goed en Marvel kreeg positieve kritieken vanwege de aandacht voor volwassen sociale kwesties.
Lee steunde het gebruik van stripboeken om maatschappelijke gebeurtenissen in de echte wereld te bekritiseren, waarbij hij het vaak had over racisme en onverdraagzaamheid.
In 1972 stopte Lee met het schrijven van maandelijkse strips om uitgever te worden. Zijn laatste uitgave van The Amazing Spider-Man was #110 (juli 1972) en zijn laatste Fantastic Four was #125 (augustus 1972).