В 1683 году окончил медицинский факультет Йенского университета. После окончания университета стал там же приват-доцентом, а затем профессором медицины. С 1687 года — придворный врач герцога Саксен-Веймарского Иоганна Эрнста. С 1694 года — профессор университета в Галле. С 1716 года — лейб-медик прусского короля Фридриха Вильгельма I. В Берлине он стал президентом Медицинской коллегии — высшего медицинского учреждения Пруссии. Благодаря его усилиям в Берлине была основана Медико-хирургическая коллегия для подготовки военных врачей.
Развивая воззрения И. И. Бехера, сформулировал (впервые в 1697, подробно в 1703) теорию флогистона. Эта теория, объединявшая многочисленные сведения о процессах восстановления, горения и обжига, получила широкое распространение в XVIII веке. Флогистонная теория Шталя стала первой теорией научной химии, и сыграла важную роль в окончательном освобождении химии от алхимии. Работы по исследованию газов (см. Пневматическая химия) и труды А. Лавуазье опровергли теорию флогистона в конце XVIII века. В своих работах по физиологии Шталь выступал виталистом; стал основателем анимизма — учения о душе, как некоем безличном жизненном начале, лежащим в основе всех жизненных процессов.
