Il obtient en 1894 son doctorat avec une thèse principale sur le règne de l'empereur Domitien et une thèse secondaire sur Tipaza, De Tipasa Mauretaniae Caesariensis urbe[2].
Nommé professeur à l’École supérieure des lettres d'Alger, il opère des fouilles à Tipasa et explore plusieurs sites antiques de l'Algérie, publiant en 1901 un inventaire en deux volumes Monuments antiques de l'Algérie[2] et commence un recueil des Inscriptions latines d'Algérie, dont il ne peut publier que le Tome I Inscriptions de la Proconsulaire[3].
À partir de 1900, il est inspecteur des antiquités de l'Algérie, directeur du Musée d'Alger[4], en 1919, il est nommé inspecteur général des musées archéologiques de l'Algérie, et en 1912 professeur au Collège de France, poste qu'il occupe jusqu'à 1932. En 1923, il devient membre de l'Académie des inscriptions et belles-lettres[3].
Fouilles dans la nécropole de Vulci : exécutées et publiées, aux frais de S. E. le prince Torlonia, Paris, Ernest Thorin éditeur, , 570 p. et 20 planches (lire en ligne)[6],
Essai sur le règne de l’empereur Domitien, Paris, Thorin et fils éditeurs, coll. « Bibliothèque des Écoles françaises d'Athènes et de Rome no 65 », , 392 p. (lire en ligne)
Recherches archéologiques en Algérie (1893)
" Guide archéologique des environs d'Alger (Cherchel, Tipasa, Tombeau de la Chrétienne) accompagné de vues et plans. Nouvelle Collection algérienne. Collection A. Jourdan. Par la Librairie Adolphe Jourdan Imprimeur Libraire Éditeur, Alger, 1896.
Les Monuments antiques de l'Algérie (2 volumes, 1901)
Étienne Michon, « Éloge funèbre de M. Stéphane Gsell, membre de l'Académie », Comptes rendus des séances de l'Académie des Inscriptions et Belles-Lettres, t. 76, no 1, , p. 7-13 (lire en ligne).
Charles Picard, « Notice sur la vie et les travaux de M. Stéphane Gsell, membre de l'Académie », Comptes rendus des séances de l'Académie des Inscriptions et Belles-Lettres, t. 91, no 1, , p. 24-86 (lire en ligne)
