Tėvai: Antanas Mikulionis (1903–1960) ir Ona Didžgalvytė-Mikulionienė (1905–1984) – valstiečiai žemdirbiai. Augo trijų vaikų šeimoje, dar vienas brolis Romas mirė kūdikystėje. Brolis Lionis Mikulionis (g. 1933 m.) – žemdirbys, sesuo Aleksandra Mikulionytė-Mažolienė (g. 1941 m.) – prekybininkė.

1942–1946 m. mokėsi Kunigiškių (Anykščių r.) pradinėje mokykloje, 1946–1953 m. baigė Svėdasų (Anykščių r.) vidurinę mokyklą 5-ojoje jos abiturientų laidoje. 1953–1959 m. studijavo Kauno politechnikos institute, įgijo inžinieriaus architekto išsilavinimą.

1959–1962 m. S. Mikulionis dirbo Vilniaus mokslinėse restauracinėse gamybinėse dirbtuvėse architektu. Pagal jo projektus buvo restauruota gyvenamųjų namų Vilniuje, M. Gorkio (dabar – Didžioji, 1965 m.) ir Arklių (1967 m.) gatvėse.

1962–1964 m. jis buvo pasitraukęs iš profesinės veiklos ir dirbo Trakų rajono vykdomojo komiteto pirmininku.

Grįžęs į architektūros veiklą, 1964–1974 m. S. Mikulionis buvo Paminklų konservavimo instituto projekto "Trakų pilies restauravimas" vyriausiasis architektas, 1974–1978 m. – Paminklų konservavimo instituto vyriausiasis projektų architektas, 1978–1984 m. – šio instituto visuomeninių pastatų skyriaus vyriausiasis architektas.

Nuo 1970 m. S. Mikulionis studijavo Vilniaus inžinerinio statybos instituto aspirantūroje, 1976 m. parengė ir apsigynė disertaciją "Trakų gynybinio komplekso tyrimai ir apsauga", buvo architektūros mokslų kandidatas. 

Didžiąją savo gyvenimo dalį susiejęs su Trakais, S. Mikulionis tapo vienu žymiausių Trakų pilių restauravimo, konservavimo ir naudojimo koncepcijos kūrėjų, pilių bei Trakų miesto tyrinėtojų ir kultūros paveldo vertintoju ir žinovu.

1955–1987 m. jis buvo vienas iš Trakų pilies atkūrimo idėjos ir projekto autorių. Jis sudarė Trakų salos pilies (1968 m.) ir priešpilio (1978 m.), pusiasalio pilies (1977 m.), Senųjų Trakų piliavietės pastatų (1979 m.) restauravimo ir konservavimo projektus, Trakų senamiesčio regeneracijos projektinius pasiūlymus (1969 m.). S. Mikulionis paskelbė darbų apie Trakų miesto ir jo gynybinės sistemos susidarymą bei Trakų pusiasalio pilies statybą (su S. Abramausku).

1984–1992 m., iki gyvenimo pabaigos, S. Mikulionis dirbo Vilniaus dailės institute, 1984–1989 m. buvo dėstytojas, 1989–1992 m. – docentas.

S. Mikulionis parašė ir išleido knygas "Trakų salos pilis" (1969, 1987 m.), "Trakų pilis" (lietuvių ir rusų kalbomis, 1978 m.),  "Trakų miestas ir pilys" (su Algimantu Miškiniu ir Algirdu Baliuliu, 1991 m.). Jis paskelbė daugiau kaip 90 mokslinių straipsnių profesine tematika mokslo darbų rinkiniuose ir periodikoje.

S. Mikulionis buvo Lietuvos architektų sąjungos ir Lietuvos paminklų apsaugos ir kraštotyros draugijos narys, laikraščio "Voruta" redakcinės kolegijos narys ir daugelio straipsnių autorius.

S. Mikulioniui buvo skirta Lietuvos respublikinė premija (1978 m.) už Trakų salos pilies restauravimą. Jam buvo suteiktas Trakų Garbės piliečio vardas.

Laisvalaikiu mėgo žvejoti, pasivaikščioti gamtoje, skaitė grožinę literatūrą.

Vedė 1961 m., žmona Aldona Jackūnaitė-Mikulionienė (g. 1938 m.) – pedagogė, lietuvių kalbos ir literatūros mokytoja, gidė. Vaikai: Skaistis Mikulionis (g. 1962 m.) – dailės istorikas ir Milda Mikulionytė-Ogorodova (g. 1964 m.) – architektė.

Mirė 1992 m. spalio 11 d. Trakuose. Palaidotas Trakų kapinėse.

S. Mikulionio vardu pavadinta gatvė Trakuose.

Prie Trakų istorijos muziejaus administracinio pastato (buvusio Dominikonų vienuolyno) atidengta memorialinė lenta S. Mikulioniui (2017 m.), joje vaizduojamas Trakų Salos pilies planas, yra įrašai: "Stanislovas / Mikulionis / 1935–1992" ir "Trakų miesto ir pilių tyrinėtojas, / inžinierius, architektas, / Trakų miesto garbės pilietis".

Trakų salos pilyje architekto S. Mikulionio atminimui 1993–2002 m. buvo rengiamos konferencijos, skirtos Trakų miesto ir pilių tyrinėjimui. Trakų istorijos muziejus parengė ir išleido straipsnių rinkinį "Stasį Mikulionį prisimenant" (2012 m.).

Lietuvos literatūros ir meno archyve saugomas Stanislovo Mikulionio dokumentų asmeninis fondas (F. 455).

Išsami S. Mikulionio biografija pateikta Romualdo Vytauto Rimšos sudarytame rinkinyje "Svėdasai : praeitis ir dabartis : teminis straipsnių rinkinys. T. 1" (2012 m.).