Pada akhir 1950-an, DC Comics menciptakan Justice League yang membuat superhero buku komik lebih populer. Sebagai tanggapan, penerbit Lee dipekerjakan untuk membuat tim superhero baru. Istri Lee, Joan, mengatakan bahwa dia bereksperimen dengan cerita yang disukainya, karena dia berencana untuk mengubah karier dan tidak akan rugi.
Lee mengikuti saran istrinya dan menciptakan sekumpulan pahlawan dengan kekurangan karakter, karena banyak pahlawan sebelumnya dipandang sebagai makhluk yang hampir sempurna.
Superhero pertama yang diciptakan Lee dan seniman Jack Kirby bersama adalah Fantastic Four. Mereka menjadi populer yang membuat Lee dan ilustrator Marvel menciptakan pahlawan baru. Lagi-lagi bekerja sama dengan Kirby, Lee ikut menciptakan Hulk, Thor, Iron Man, dan X-Men; dengan Bill Everett, Daredevil; dan dengan Steve Ditko, Doctor Strange dan karakter Marvel yang paling sukses, Spider-Man. Hasilnya, Lee menciptakan alam semesta bersama di antara para pahlawan fiksi. Lee dan Kirby menggabungkan beberapa karakter yang baru mereka ciptakan bersama ke dalam judul tim The Avengers.
Revolusi Lee meluas melampaui karakter dan alur cerita hingga cara buku komik melibatkan pembaca dan membangun rasa komunitas antara penggemar dan pencipta. Dia memperkenalkan praktik yang secara teratur menyertakan panel kredit pada halaman splash setiap cerita, dengan menyebutkan tidak hanya penulis dan penciller tetapi juga inker dan letterer. Berita reguler tentang anggota staf Marvel dan alur cerita yang akan datang disajikan di halaman Bullpen Bulletins, yang (seperti kolom surat yang muncul di setiap judul) ditulis dengan gaya yang ramah dan cerewet. Lee mengatakan bahwa tujuannya adalah agar para penggemar menganggap para kreator komik sebagai teman, dan menganggapnya sebagai tanda keberhasilannya dalam hal ini, di saat surat-surat kepada penerbit komik lain biasanya ditujukan kepada "Dear Editor", surat-surat kepada Marvel ditujukan kepada para kreator dengan nama depan (misalnya "Dear Stan and Jack").
Pada tahun 1960-an, Lee menulis, menggambar, dan mengedit sebagian besar seri Marvel dan menulis kolom bulanan yang disebut "Stan's Soapbox". Dia menulis salinan promosi yang tak ada habisnya, sering kali ditandatangani dengan moto khasnya, "Excelsior!". Lee akan bertukar pikiran tentang sebuah cerita dengan artis dan kemudian menyiapkan sinopsis singkat daripada naskah lengkap. Berdasarkan sinopsis, sang artis akan mengisi jumlah halaman yang tersisa dengan menentukan dan menggambar panel ke panel bercerita.
Setelah Ditko meninggalkan Marvel pada tahun 1966, John Romita Sr. menjadi kolaborator Lee pada The Amazing Spider-Man. Dalam setahun, film ini mengalahkan Fantastic Four untuk menjadi perusahaan terlaris. Cerita-cerita Lee dan Romita berfokus pada kehidupan sosial dan perguruan tinggi para karakter seperti yang mereka lakukan pada petualangan Spider-Man. Cerita-cerita tersebut berbicara tentang isu-isu pada saat itu seperti Perang Vietnam, pemilihan politik, dan aktivisme mahasiswa. Lee menciptakan Black Panther, seorang raja Afrika yang akan menjadi superhero kulit hitam pertama dalam komik arus utama.
Lee dan seniman John Buscema menciptakan seri The Silver Surfer pada bulan Agustus 1968.
Tahun berikutnya, Lee dan Gene Colan menciptakan Falcon, superhero Afrika-Amerika pertama dalam komik di Captain America #117 (September 1969). Kemudian pada tahun 1971, Lee membantu mengubah Kode Komik. Departemen Kesehatan, Pendidikan, dan Kesejahteraan AS telah meminta Lee untuk menulis cerita komik tentang bahaya narkoba. Hasilnya, Lee membuat cerita tiga edisi dalam The Amazing Spider-Man #96-98 (sampul bertanggal Mei-Juli 1971), di mana sahabat Peter Parker menjadi kecanduan obat resep. Comics Code Authority tidak menyetujui hal ini karena cerita tersebut menggambarkan penggunaan narkoba. Namun, Lee menerbitkan cerita tersebut tanpa segel persetujuan dari otoritas. Komik tersebut terjual dengan baik dan Marvel mendapat ulasan positif karena fokusnya pada masalah sosial yang dewasa.
Lee mendukung penggunaan buku komik untuk mengkritik peristiwa sosial tentang dunia nyata, sering kali berbicara tentang rasisme dan kefanatikan.
Pada tahun 1972, Lee berhenti menulis buku komik bulanan untuk menjadi penerbit. Edisi terakhir The Amazing Spider-Man adalah #110 (Juli 1972) dan Fantastic Four terakhirnya adalah #125 (Agustus 1972).