Станимир Стоилов започва кариерата си във втородивизионния Канев Хасково, откъдето през 1990 г. преминава в столичния Левски. До 1995 г. участва в 83 шамп. мача с 31 гола, 23 мача за купата с 11 гола, 22 международни мача с 10 гола и 19 други срещи с 9 гола. Веднъж става шампион на страната (1995) и 2 пъти вдига купата на България (1991 и 1992). До лятото на 1998 г. последователно облича екипите на турския Фенербахче, португалския Кампомайорензе, както и на българските Славия и ЦСКА.

Отбелязва единствения си гол във вечното дерби (ЦСКА - Левски), за отбора на ЦСКА през сезон 1993/94, въпреки времето, прекарано като играч на Левски.

От сезон 1998/99 г. до края на кариерата си като футболист през 2003 г. отново играе за Левски, като изиграва още 120 шампионатни срещи с 6 гола, 22 мача за КРБ с 3 гола и 26 международни мача с 1 гол. На 8 март 2003 г. изиграва последния си мач срещу Славия (1:2). Общо в А група има 234 мача с 53 гола. Като футболист има 4 шампионски титли с Левски (1995, 2000, 2001, 2002) и 5 национални купи (1991, 1992, 2000, 2002, 2003). От 1992 г. до 2000 г. играе и в националния отбор на България (14 мача с 3 гола).

Треньорската си кариера започва в началото на 2004 г. като селекционер на юношеския национален отбор до 16 години. От лятото на 2004 г. е старши-треньор на Левски, с който печели Купата на България два пъти (2005, 2007), Суперкупата на България (2005) и шампионската титла (2006, 2007). През сезон 2005/2006 с отбора на Левски достига до четвърт финал в турнира за купата на УЕФА. С Левски става първият български треньор, чийто отбор влиза в груповата фаза на Шампионска лига.

През 2007 г. е селекционер на националния отбор на България в двата мача срещу Беларус от квалификационните групи за европейското първенство през 2008 г. Като печели и двата мача.

От 21 юни 2014 г. води ФК Астана. На 26 август 2015 г. отстранява кипърския шампион АПОЕЛ Никозия и класира тима за груповата фаза на Шампионска лига, ставайки първия български треньор класирал чуждестранен отбор. Астана е и първият отбор от Казахстан, който участва в групите на турнира. През следващия сезон (2016/17) отпада в третия квалификационен кръг на Шампионската лига след поражение от шотландския шампион Селтик, но впоследствие отстранява беларуския БАТЕ Борисов, с което се класира за Груповата фаза на Лига Европа, което участие също е първо в историята на клуба. В групите на турнира попада в Група B, заедно с АПОЕЛ Никозия, Олимпиакос и Йънг Бойс. Казахстанският тим завършва на последното 4-то място, но все пак записва престижна победа над АПОЕЛ, което е първата победа за тима в груповата фаза на ЕКТ. В следващата кампания достига до плейофите на Шампионската лига, но за втора поредна година тимът на Селтик се оказва непреодолимо препятствие. Като утеха за тима е второто поредно участие в групите на Лига Европа, където попада в компанията на Виляреал, Славия Прага и Макаби Тел Авив. След като в първите пет мача записва две победи срещу Макаби и на два пъти губи от Виляреал, решаващ за класиране за фазата на елиминациите се оказва последният мач - гостуване на Славия в Прага. В чешката столица скромният казахстански отбор сътворява поредна сензация, постигайки победа с 1:0, с което си осигурява историческо първо участие в пролетната, елиминационна фаза на Лига Европа. На 1/16-финалите съперник е португалският гранд Спортинг Лисабон. Астана записва равенство 3:3 в гостуването на Лисабонските лъвове, но губи с 1:3 като домакин, с което отпада.

От 1 март 2018 г. е селекционер на националния отбор на Казахстан.