La mezzo-soprano Stéphanie d’Oustrac nait à Rennes en 1974. Elle vient d’une famille mélomane (elle compte parmi ses arrières-grands-oncles les compositeurs Francis Poulenc et Jacques de la Presle). Bien que d’abord intéressée par le théâtre, elle chante enfant dans la Maîtrise de Rennes. Après avoir assisté à un récital de la mezzo-soprano Teresa Berganza, elle se passionne pour l’art lyrique. Elle suit des cours de chant pendant sa dernière année de lycée, après quoi elle rentre au Conservatoire de Lyon. Elle en sort en 1998, avec le premier prix. Peu après, William Christie lui offre son premier rôle : celui de Médée, dans l’opéra éponyme de Marc-Antoine Charpentier à l’Académie d’Ambronay.

L’année suivante, ce dernier lui propose le rôle-titre des Métamorphoses de Psyché de Lully, à l’Opéra Comique et à l’Opéra de Lyon. Il la suit pendant tout son début de carrière, à dominante baroque. Ainsi, elle fait ses débuts au Festival d’Aix-en-Provence dans Le Retour d’Ulysse dans sa patrie de Monteverdi (La Fortune, Melanto) avec les Arts Florissants en 2000. En 2001, elle tient le rôle-titre dans Didon et Enée de Purcell, toujours avec les Arts Florissants au Théâtre des Champs-Élysées. Sortant du répertoire baroque, elle chante Ascagne dans Les Troyens de Berlioz au Théâtre du Châtelet sous la direction de John Eliot Gardiner en 2003, puis le rôle-titre de Phaedra de Britten à l’Opéra de Nancy en 2005. Elle chante Ruggiero dans Alcina de Haendel à l’Opéra de Lyon en 2006, puis Lazuli dans L’Étoile de Chabrier à la Salle Favart en 2007. Alternant les répertoires, elle incarne aussi bien Armide de Lully au Théâtre des Champs-Élysées en 2008 que La Périchole d’Offenbach à l’Opéra de Lille en 2009.

Elle campe une première Carmen de Bizet très remarquée à l’Opéra de Lille en 2010, acclamée non seulement pour sa performance vocale mais aussi pour son interprétation et sa diction. Dès lors, son répertoire inclut de plus en plus d'opéras français du XIXe et XXe siècles. Elle continue néanmoins de chanter des œuvres baroques, notamment Atys de Lully (Cybèle) à l’Opéra Comique en 2011. Son ancêtre Poulenc occupe d’ailleurs une place de choix dans son répertoire puisqu’elle chante cette année-là La Voix humaine à l’Athénée ainsi que les Dialogues des Carmélites (Mère Marie de l’Incarnation) à Avignon. Elle se montre également à l’aise dans Mozart, chantant Sesto dans La Clémence de Titus à l’Opéra de Paris en 2011 ou Idamante dans Idoménée à Amsterdam la même année.

Elle fait ses débuts au Festival de Glyndebourne en 2012, dans un double programme Ravel mis en scène par Laurent Pelly, comprenant L'Enfant et les sortilèges (Chat/Ecureuil) et L’Heure espagnole (Concepcion). Elle y retourne l’année suivante dans Hippolyte et Aricie de Rameau (Diane). La même année, elle incarne Dorabella dans Cosi fan Tutte de Mozart à l'Opéra de Paris. Elle continue de travailler l'œuvre de Poulenc avec La Dame de Monte-Carlo à Caen en 2013, année de ses débuts à La Monnaie, dans la création de La Dispute de Benoît Mernier. En 2014, elle fait ses débuts à l’Opéra de Rome dans une reprise de la production Ravel de Glyndebourne. Elle chante Irène dans Theodora de Haendel au Théâtre des Champs-Élysées en 2015. Un an plus tard, elle chante le rôle-titre de l’opérette d’Honegger L’Aiglon à l’Opéra de Marseille puis celui de Béatrice et Bénédict de Berlioz à La Monnaie. Elle retrouve par la suite Concepcion dans L'Heure Espagnole pour ses débuts à La Scala. L'Opéra national de Paris la reçoit ensuite en Nicklausse dans Les Contes d'Hoffmann en 2016. L’année suivante, elle incarne Rosine dans Le Barbier de Séville de Rossini à Marseille puis Charlotte dans Werther de Massenet à Nancy avant d’apparaître en Ottavie dans Le Couronnement de Poppée de Monteverdi au Festival de Zurich puis à Salzbourg. Elle revient à l’Opéra de Paris en Cassandre dans Les Troyens en 2019, année où elle débute à Dallas et à l’Opéra allemand de Berlin en Carmen. Ce rôle lui offre ses débuts à l'Opéra de Cologne en 2020, tandis que Sesto (La Clémence de Titus) lui ouvre les portes du Liceu. Elle se lance à Genève dans une trilogie Donizetti, interprétant Seymour dans Anna Bolena en 2021, puis le rôle-titre de Marie Stuart en 2022, année où elle chante également le rôle-titre de Mignon d'Ambroise Thomas à Liège. En 2023, elle prend le rôle-titre d'Armide de Lully à Dijon et débute à Munich en Mère Marie dans les Dialogues des Carmélites. Elle participe également au Concert de Paris, télédiffusé depuis le Champ de Mars à l'occasion de la fête nationale du 14 juillet. 

En août 2023, elle prendra en concert le rôle de Marguerite dans La Damnation de Faust au Festival Berlioz (rôle qu'elle retrouvera en mars au TCE). En 2023/2024, Stéphanie d’Oustrac chantera le rôle-titre d'Agrippina de Haendel à Amsterdam en janvier, puis retrouvera le rôle de Concepcion dans L'Heure Espagnole à l'Opéra Comique en mars. En mai, elle clôturera la trilogie Donizetti à Genève, en Duchesse de Nottingham dans Roberto Devereux. En septembre 2024, elle retournera à la Scala dans le rôle-titre d'Orontea de Cesti.