Родился 12 июля 1922 г. в гор. Тифлисе Грузинской ССР (ныне Тбилиси, Грузия). Отец Анастас Иванович Микоян (1895-1978) был советским партийным и государственным деятелем, в 1922 г. - занимал пост секретаря Юго-Восточного бюро ЦК РКП(б), в 1935-1976 гг. – член Политбюро ЦК КПСС. Степан Микоян - племянник авиаконструктора Артема Микояна, основателя ОКБ №155 (в дальнейшем Российская самолетостроительная корпорация "МиГ", ныне в составе ПАО "Объединенная авиастроительная корпорация"). До 1926 г. семья жила в Ростове-на-Дону, затем переехала в Москву.
В 1941 г. Степан Микоян окончил Качинскую военную авиационную школу летчиков в Севастополе, в 1951 г. - Военно-воздушную инженерную академию им. профессора Н. Е. Жуковского в Москве (ныне Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, Воронеж).
Кандидат технических наук (1980).
С августа 1940 г. служил в строевых частях Военно-воздушных сил (ВВС) Красной армии.
С декабря 1941 г. в качестве летчика-истребителя воевал на фронтах Великой Отечественной войны (1941-1945). В 1941-1942 гг. служил в составе 11-го истребительного авиационного полка противовоздушной обороны Москвы. 16 января 1942 г. самолет Степана Микояна был по ошибке сбит другим советским истребителем в районе г. Истры Московской области. При падении машины летчик получил ранения. По возвращении из госпиталя воевал в составе 32-го гвардейского авиационного полка под Сталинградом и на Северо-Западном фронте, а затем – в 12-м гвардейском авиационном полку ПВО Москвы. В годы войны освоил истребители Як-1, Як-7 и Як-9, на боевой счет Степана Микояна записано шесть групповых побед.
В 1943 г. вступил в ВКП(б).
С 1951 г. по 1978 г. работал летчиком-испытателем в Научно-исследовательском институте ВВС им. В.П. Чкалова (ныне 929-й Государственный летно-испытательный центр Министерства обороны им. В. П. Чкалова, ГЛИЦ, Московская обл.). В 1959-1965 гг. - начальник испытательного Управления, с 1964 г. - первый заместитель начальника НИИ ВВС. Освоил 102 различных типа и модификации летательных аппаратов, в том числе МиГ-15, МиГ-17, МиГ-19, МиГ-21, МиГ-23, МиГ-25, МиГ-27, Су-15, Су-24, Ми-8 и др. Имел общий налет около 3,5 тыс. часов.
С 1978 г. Степан Микоян работал заместителем генерального директора по летным испытаниям Научно-производственного объединения "Молния", принимал участие в создании и испытании космического корабля "Буран", руководил работами по орбитальной летающей модели "Бор-4". С 1992 г. находился в отставке, проживал в Москве.
Степан Микоян скончался 24 марта 2017 г. в Москве на 95-м году жизни. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Генерал-лейтенант авиации (1980).
Герой Советского Союза (1975). Награжден орденом Красного Знамени (1942), четырьмя орденами Красной Звезды (1944, 1956, 1957, 1966), орденами Ленина (1975), Отечественной войны I степени (1985), медалями, в том числе "За боевые заслуги".
Лауреат премии правительства РФ за значительный вклад в развитие Военно-воздушных сил (2012).
Заслуженный летчик-испытатель СССР (1963).
Почетный гражданин города Ахтубинск Астраханской области (2010).
Автор книг "Заход на посадку по приборам" (1979), "Степан Анастасович Микоян: автобиография" (Лондон, 1999), "Воспоминания летчика-испытателя" (2002) и др.