Родился 5 февраля 1889 года в болгарском городе Дупница, в семье сапожника. По окончании педагогического училища в городе Шумен (1908) работал учителем; позднее окончил юридический факультет Софийского университета (1919).
С 15-летнего возраста примкнул к рабочему движению; с 1919 года состоял членом, секретарём окружного комитета БКП; участвовал в подготовке Сентябрьского восстания 1923 года. В 1925 году был вынужден эмигрировать в СССР, где вступил в ВКП(б). Вёл преподавательскую работу, с 1932 участвовал в работе Исполкома Коминтерна.
26 августа 1944 года группа болгарских коммунистов во главе со Станке Димитровым на самолете Ли-2 вылетела из Москвы в родную страну, чтобы возглавить запланированное на сентябрь антимонархическое восстание. Самолёт сделал остановку в Брянске, и при взлёте с брянского аэродрома потерпел катастрофу, в которой все члены делегации погибли. Некоторые историки пытаются усмотреть в этой трагедии инсценировку несчастного случая, выполненную по поручению Сталина или Георгия Димитрова, однако подтверждения этим гипотезам не найдено.
Станке Димитров и его единомышленники были торжественно перезахоронены на центральном кладбище Брянска; на их могиле в 1979 году установлен памятник-надгробие (скульптор Г. Е. Коваленко, архитектор Ю. И. Тарабрин). Памятный обелиск установлен и на месте катастрофы (1965).
Указом Президиума Верховного Совета СССР Станке Димитров (Марек) посмертно награждён орденом Ленина (1945).
По странному совпадению, на расстоянии около 600 м от места гибели Станке Димитрова в Брянске (при въезде в Бежицу) в 1947 году был установлен памятник в виде зенитного орудия, обращённого стволом к месту катастрофы.