Учился в Одесской духовной семинарии, которую не окончил.
Сподвижник поэта Христо Ботева, совместно с которым издал сборник стихотворений «Песни и поэмы».
Являлся членом и одним из руководителей Болгарского революционного центрального тайного комитета (БРЦТК). Принимал активное участие в национально-освободительной борьбе болгарского народа против турецкого ига: Старозагорское (1875) и Апрельское восстание (1876).
В 1884—1885 председатель Народного Собрания. В 1886 входил в правительство Петко Каравелова.
После русофильского переворота против болгарского князя Александра Баттенберга в августе 1886 г. Стамболов организовал контрпереворот и призвал Баттенберга вернуться. После отречения Баттенберга от болгарского трона возглавил регентский совет.
В 1886—1887 г. лидер Народно-либеральной партии (т. н. стамболовисты). В 1887—1894 годы — глава правительства. Укрепил молодое болгарское государство и оказывал всяческую поддержку князю Фердинанду I на престоле. Управлял с помощью авторитарных методов.
В мае 1894 года угрожал князю своей отставкой с поста премьер-министра. Фердинанд I принял отставку. Стамболов ушел в глухую оппозицию.
15 июля 1895 года македонские наемники, близкие к террористу Науму Тюфекчиеву, совершили покушение на Стамболова, в результате которого он получил тяжелые ранения. Врачи, пытаясь спасти раненого, ампутировали ему руки, но через три дня Стамболов скончался. Причиной убийства была месть за смерть майора Косты Паницы, казненного в 1890 году за организацию заговора с целью убийства Фердинанда I. Нападение на Стамболова было совершено за два дня до приема Николаем II болгарской делегации, направленной в Санкт-Петербург для нормализации русско-болгарских отношений. Европейские СМИ того времени писали, что Стамболов был убит агентами княжеского двора.