蘭利1834年出生於美國麻薩諸塞州的諾克斯包利，早年未受過高等教育，從波士頓拉丁文學校畢業後進入哈佛大學天文台成為助教。1881年，他發明了測熱輻射計，可以用於微量熱的精密測量。蘭利用它仔細測定了太陽在可見光波段和紅外波段的輻射強度，並首次將太陽輻射的測量擴展到遠紅外波段。1886年，蘭利由於太陽物理方面的貢獻，獲得美國科學院頒發的亨利·德雷珀獎。1887年，蘭利成為史密松研究所的第三任秘書長，1890年創辦了史密松天體物理台。
19世紀90年代，蘭利仔細研究了空氣動力學原理，試圖從鳥類飛行中獲得啟發研製飛機。1896年5月6日，蘭利在華盛頓附近的波托馬克河上進行了無人飛機模型的試驗，該模型飛機從船上彈射起飛，飛行了大約半英里。這次飛行在航空史上被認為是比重大於空氣的飛行器進行的首次持續動力飛行。同年11月11日，他的另一架飛機模型又成功飛行了五千多英尺。隨後，蘭利獲得了美國政府5萬美元以及史密松研究所2萬美元的支持，試圖建造一架有人駕駛的飛機，並雇用了查爾斯·曼利作機械師和飛行員。
1902年，蘭利從自己的朋友口中聽說萊特兄弟的滑翔機試驗取得了成功，便試圖會見萊特兄弟，但被婉言謝絕。蘭利製造的有人駕駛飛機有一前一後兩對翅膀，採用彈射方式起飛，由於沒有起落架，飛行結束後只能墜入水中。1903年10月7日和12月8日，蘭利的飛機在波托馬克河上兩次試驗失敗，飛行員曼利被人從水中救起，沒有受傷。報紙對蘭利設計的飛機進行了猛烈的抨擊。
為紀念蘭利，史密松研究所於1908年設立了蘭利獎章，用於獎勵在航空領域做出貢獻的人，首個蘭利獎頒發給了萊特兄弟。蘭利空軍基地、美國宇航局的蘭利研究中心、以及美國第一艘航空母艦“蘭利號航空母艦”均是以他的名字命名。人們還把每平方厘米1卡路里的輻射強度通用單位稱作1蘭利。
