Степан Микоян вместе со своим другом Тимуром Фрунзе поступил в Качинскую военную авиационную школу пилотов в Крыму, в августе 1940 года. Окончил училище 3 сентября 1941 года в городе Красный Кут Саратовской области, куда эвакуировали училище. В том же году он переучился на истребитель Як-1 и в декабре был направлен в истребительный авиаполк, оборонявший Москву.
16 января 1942 года Микоян был сбит советским летчиком по ошибке. Степану Анастасовичу удалось посадить горящую машину, после этого он попал в медсанбат. Через полгода получил назначение под Сталинград, а затем на Северо-Западный фронт.
Войну Степан Микоян закончил с двумя орденами, в звании капитана и в должности командира звена истребительного полка. В июне 1945 года Степан женился на Элеоноре Лозовской, дочери лётчика-испытателя Петра Ивановича Лозовского, погибшего в 1932 г.
С 1945 по 1951 год слушатель инженерного факультета Военно-воздушной инженерной академии имени профессора Н. Е. Жуковского. После окончания работает в Научно-испытательном институте ВВС.
В течение 23 лет испытывал боевые самолёты истребительных ОКБ Микояна, Сухого и Яковлева, получил звание «Заслуженный лётчик-испытатель СССР», 3 апреля 1975 года за проведение государственных испытаний МиГ-25 стал Героем Советского Союза.
Стал первым заместителем начальника НИИ ВВС. Он освоил 102 типа летательных аппаратов и налетал около 3,5 тысяч часов. С апреля 1978 года Степан Анастасович — заместитель главного конструктора московского НПО «Молния» по лётным испытаниям. В космическом полёте «Бурана» отвечал за управление кораблём на участке снижения и посадки.