Nach dem Studium der Architektur an der Universität und der Bauakademie in Berlin von 1818 bis 1827, unterbrochen durch praktische Ausbildung, wurde Stüler Schinkels engerer Mitarbeiter, der als sein Nachfolger und Erbwalter gilt. So erfüllte er mit dem Bau der Kuppel der Nikolaikirche in Potsdam ein Schinkelsches Vermächtnis. Auch baute er als Direktor der Schloßbaukommission die Kuppel des Berliner Schlosses.

Sein Hauptwerk ist der Bau des Neuen Museums in Berlin (1843-55). Sein Entwurf für die Nationalgalerie wurde erst nach seinem Tode von Strack ausgeführt, andere Entwürfe wie für den Berliner Dom blieben unausgeführt. Zu seinen Bauleistungen gehören in Berlin neben vielen privaten Bauten vor allem Kirchen, in Königsberg die Universität, in Köln das Wallraf-Richartz-Museum. Neben seiner umfangreichen Tätigkeit als "Architekt des Königs" Friedrich Wilhelm IV. lehrte Stüler von 1834 bis 1854 mit Unterbrechungen an der Berliner Bauakademie Architektur. Mit Stüler endete die Epoche des Klassizismus in Berlin, die durch Schinkel bestimmt war.