In mei 1986, slechts enkele weken voor zijn afstuderen aan het Curtis Institute, deed Stern auditie voor de baan van assistent-dirigent bij The Cleveland Orchestra, waar Christoph von Dohnányi de muziekdirecteur was, en hij kreeg die baan. De auditie en de positie werden beide georganiseerd onder de auspiciën van het Exxon/Arts Endowment Conductor’s Program. Stern werd het seizoen daarop officieel benoemd tot volwaardig assistent-dirigent, en bleef bij het orkest tot 1991. In september 1986 debuteerde hij bij de New York Philharmonic als een van de drie jonge dirigenten die Leonard Bernstein uitnodigde om deel te nemen aan een dirigentenworkshop die culmineerde in twee concerten in Avery Fisher Hall.
Dat jaar werd Stern de vaste gastdirigent van het Orchestre National de Lyon in Lyon, Frankrijk. Gedurende zijn vier jaar bij het Orchestre National trad hij ook op met orkesten in Parijs, Bordeaux, Lille en Toulouse, evenals met andere orkesten in Europa.
In 1996 verliet hij het Orchestre National om chef-dirigent te worden van het Saarbrücken Radio Symfonie Orkest, een prominent opname- en omroeporkest in Duitsland, waarmee hij de eerste Amerikaan werd die de positie van chef-dirigent bekleedde in de geschiedenis van dat orkest. Zijn werk daar is ook opmerkelijk vanwege de vele opnames van Amerikaanse klassieke muziek die het orkest tijdens zijn ambtstermijn maakte, waaronder platen met werken van Henry Cowell en Charles Ives. Hij leidde het orkest ook op tournee door Spanje, Portugal, China en Zwitserland. In 2000 trad hij af als chef-dirigent.
Na zijn vertrek bij het Saarbrücken Radio Symphony Orchestra richtte Stern het IRIS Orchestra op in Germantown, Tennessee, dat zich specialiseert in het spelen van Amerikaanse hedendaagse muziek. Naast zijn werk met IRIS trad hij regelmatig op in heel Noord-Amerika als gastdirigent van vele symfonieorkesten, waaronder een reeks concerten bij het New York Philharmonic in de zomer van 2001, het Chicago Symphony Orchestra, het Philadelphia Orchestra, het Pittsburgh Symphony Orchestra, het Saint Louis Symphony Orchestra, het Atlanta Symphony, het Houston Symphony, het Baltimore Symphony, het Toronto Symphony, Ottawa’s National Arts Centre Orchestra, het Cincinnati Symphony Orchestra, het Indianapolis Symphony Orchestra, en Washington, D.C.’s National Symphony Orchestra. Hij trad ook regelmatig op tijdens het Aspen Music Festival. In september 2001 leidde Stern de Wiener Rundfunksymphonie op een tournee door China.
In deze periode bleef Stern ook gastdirecties verzorgen voor orkesten over de hele wereld, waaronder de Royal Stockholm Philharmonic, de Oslo Philharmonic, de Bergen Symphony, Bonn’s Beethovenhalle Orchestra, Berlijn’s Deutsche Symphoniker, het Budapest Radio Symphony Orchestra, de Israel Philharmonic, de Moscow Philharmonic, de Helsinki Philharmonic, het Orkest van de Accademia Nazionale di Santa Cecilia te Rome, het Beierse Radio Symfonie Orkest te München, het Kamerorkest te Lausanne, het Tonhalle Orkest te Zürich, het Londens Symfonie Orkest, het Londens Philharmonisch Orkest, het BBC Symfonie Orkest, het Engels Kamerorkest, het Nationaal Symfonieorkest van Taiwan, het Singapore Symfonieorkest, en het NHK Symfonieorkest.
Op 30 september 2005 aanvaardde Stern een aanstelling als muziekdirecteur en chef-dirigent van het Kansas City Symphony, een positie die hij momenteel bekleedt. Hij zet ook zijn gastdirectiereizen en zijn werk met het IRIS Orchestra voort.
In maart 2014 schreef Michael Stern geschiedenis met The Kansas City Symphony en Engage Mobile Solutions toen ze vier paar Google Glass tegelijk gebruikten om een uitvoering van Beethovens 5e Symfonie op te nemen.