Następnie wstąpił do Wyższego Seminarium Duchownego Archidiecezji Krakowskiej i rozpoczął studia na Wydziale Teologicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego. Święcenia kapłańskie otrzymał 22 czerwca 1958 r. z rąk abp. Eugeniusza Baziaka. Jako motto swojej posługi kapłańskiej obrał słowa św. Pawła Apostoła “Miłość Chrystusa przyciska nas”.

Posługę duszpasterską rozpoczął w archidiecezji krakowskiej jako wikariusz w Choczni k. Wadowic, w Ludźmierzu i Rogoźniku na Podhalu. W latach 1963-79 był ojcem duchownym w Krakowskim Seminarium Duchownym, z przerwą na studia specjalistyczne z teologii w latach 1967-71 w Instytucie Katolickim w Paryżu, uwieńczone doktoratem. Od 1971 r. kierował katedrą teologii życia wewnętrznego Papieskiego Wydziału Teologicznego w Krakowie, a od 1981 r. – Wydziału Teologicznego Papieskiej Akademii Teologicznej.

Był autorem wielu publikacji z zakresu teologii życia wewnętrznego. W 1979 r. objął funkcję rektora Wyższego Seminarium Duchownego w Krakowie. Ojciec Święty Jan Paweł II mianował go biskupem częstochowskim 8 września 1984 r. Uroczystość święceń biskupich odbyła się 25 listopada 1984 r. w częstochowskiej bazylice katedralnej. Święceń biskupich udzielił kard. Józef Glemp Prymas Polski. Bp Stanisław Nowak objął kanonicznie diecezję 26 listopada 1984 r. a uroczystego ingresu do bazyliki katedralnej dokonał 8 grudnia 1984 r. Jako motto swojej posługi biskupiej obrał słowa: “Iuxta crucem Tecum stare” (Chcę pod krzyżem stać przy Tobie).

W ramach prac Episkopatu Polski był w latach 1989–1996 przewodniczącym Komisji Maryjnej. W 1990 i 1994 brał udział w Synodach Biskupów w Rzymie. W latach 1994–2001 był stałym współpracownikiem Sekretariatu Synodu Biskupów. 24 czerwca 2004 papież Jan Paweł II ustanowił go drugim wiceprzewodniczącym Papieskiej Akademii Niepokalanej.

W lipcu 2010, po ukończeniu 75 lat złożył rezygnację z urzędu. Papież rozpatrzył ją formułą nunc pro tunc, prosząc metropolitę o kontynuowanie posługi do końca 2011. 29 grudnia 2011 papież Benedykt XVI zwolnił go z funkcji arcybiskupa metropolity częstochowskiego i mianował na ten urząd biskupa Wacława Depo.