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1879년 흑체(입사하는 모든 복사를 흡수하는 이론적인 물체)의 복사 에너지가 그 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙을 공식화했다. 그의 법칙은 흑체 복사를 이해하는 데 중요한 첫번째 진보 중 하나였다. 이로부터 복사에 대한 양자적인 생각이 나올 수 있었다. 빈대학교에서 1858년 수리물리학 강사가 되었다가 1863년 물리학교수로 승진했고, 1866년 물리연구소 소장이 되었다.

슈테판이 자신의 법칙을 경험적으로 도출해낸 지 5년 후, 오스트리아의 루트비히 볼츠만이 그것을 이론적으로 유도해냈기 때문에 그때 이후로 슈테판-볼츠만 법칙으로 부르게 되었다(→ 슈테판-볼츠만 법칙).