Buổi trình diễn chính thức đầu tiên của ca khúc này diễn ra ở nhà hát Ulster Hall ở Belfast vào ngày 5 tháng 3 năm 1971[14]. Tay bass John Paul Jones nhớ lại khoảnh khắc mọi người bị ấn tượng mạnh bởi ca khúc mới: "Họ đều phát khóc khi nghe được một thứ mà họ đều biết nó sẽ như thế nào"[15]. Tuy nhiên, Page lại đánh giá cao buổi diễn ở Hội chợ Los Angeles, trước khi bản thu chính thức được phát hành[26]: "Tôi không hề yêu cầu khán giả đứng lên vỗ tay, nhưng thật sự là tất cả đám đông lớn đó đều làm vậy. Tôi liền nghĩ: "Thật không thể tin được, có lẽ vì chưa ai từng nghe ca khúc này. Đó là lần đầu tiên họ được nghe nó." Nó thực sự làm họ xúc động, bạn biết đấy. Đó chính là lần diễn ở Hội chợ Los Angeles, và chúng tôi hiểu rằng chúng tôi sẽ có được một điều gì đó với thứ này."[27]

Bản thâu phát thanh đầu tiên của ca khúc này được thu tại Paris Cinema vào ngày 1 tháng 4 năm 1971, ở phía trước phòng thu trực tiếp, và được phát 3 ngày sau trên BBC[26]. Ca khúc gần như luôn được thể hiện vào mỗi buổi diễn của Led Zeppelin, đôi lúc được dành để chơi lót cho một buổi diễn quá ngắn hoặc bị gián đoạn kỹ thuật. Buổi trình diễn cuối cùng của ca khúc này là vào ngày 8 tháng 7 năm 1980 tại Berlin, cũng là buổi diễn cuối cùng của ban nhạc trước lần tái hợp tại O2 London vào ngày 10 tháng 12 năm 2007. Bản diễn ở Berlin cũng là bản diễn dài nhất với gần 15 phút trên sân khấu cùng với 7 phút rưỡi guitar solo.

Với ca khúc này, ban nhạc thường trình diễn trực tiếp tới hơn 10 phút: Page sẽ chơi guitar solo lâu hơn, còn Plant sẽ thêm một vài câu nói, kiểu như "Does anybody remember laughter?", "Does anybody remember forests?" (có thể dễ thấy trong buổi diễn ở Seattle năm 1977), "Wait a minute!" và "I hope so". Page thường sử dụng chiếc guitar điện 2 cần Heritage Cherry Gibson EDS-1275 để anh không phải mất thời gian khi chuyển từ đàn 6 sang 12-dây.

Kể từ năm 1975, "Stairway to Heaven" thường được chọn làm ca khúc kết thúc các buổi diễn của Led Zeppelin. Song trong buổi trình diễn tại Mỹ vào năm 1977, Plant lại mở đầu với bài hát này: "Chỉ có duy nhất một ca khúc mà qua rất nhiều lần bạn vẫn có thể hát và hiểu nó... Nó như kiểu một đức tin vậy."[28]

Ca khúc này cũng được những thành viên còn sống của Led Zeppelin hát trong buổi hòa nhạc Live Aid năm 1985[14]; tại lễ kỷ niệm 40 thành lập Atlantic Records với Jason Bonham chơi trống[29]; và sau đó Jimmy Page cũng từng chơi bản không lời của ca khúc này trong tour diễn solo của mình.

Cuối những năm 80, Plant bỗng tỏ thái độ tiêu cực về ca khúc này trong vài bài phỏng vấn. Anh nói: "Tôi sẽ thấy phát bực mỗi khi phải hát ["Stairway in Heaven"] vào mỗi buổi diễn. Tôi đã viết lời cho nó vào năm 1971 và biết rằng ca khúc sẽ trở nên vô cùng đặc biệt với nhiều lời tán dương, song tận 17 năm sau thì tôi không chắc. Điều đó không chỉ đúng với mỗi riêng tôi. Tôi hát nó trong lễ kỷ niệm của Atlantic bởi vì tôi là một gã già ẻo lả và đó chỉ là lời cảm ơn từ cá nhân tôi tới Atlantic vì những gì tôi có được sau suốt 20 năm ca hát. Vậy nên đừng có "Stairway to Heaven" với tôi nữa."[30]

Tới giữa những năm 90, quan điểm của Plant trở nên bớt gay gắt hơn. Trong tour diễn của Page and Plant, họ đã cùng nhau hát lại nó sau khi kết thúc ca khúc "Babe I'm Gonna Leave You". Tháng 11 năm 1994, Page và Plant cùng nhau hát bản acoustic ca khúc này ở Tokyo qua sóng truyền hình Nhật Bản. "Stairway to Heaven" cũng được chơi trong tour diễn tái hợp Led Zeppelin ở O2 London vào ngày 27 tháng 12 năm 2007.

Page cho rằng lần trình diễn bất thường nhất của ca khúc này là ở chương trình Live Aid: "Có tận 2 tay trống trong khi Duran Duran vẫn còn đang gào thét ở một góc khác của sân khấu – có lẽ đó là một khoảnh khắc siêu thực."[14]

Những thước phim trình diễn trực tiếp của ca khúc này được ghi lại trong The Song Remains the Same với buổi diễn tại Madison Square Garden năm 1973, và sau đó trong Led Zeppelin DVD năm 1975 tại Earls Court. Bản audio chính thức của nó cũng được phát hành kèm với The Song Remains the Same trong ấn bản Led Zeppelin BBC Sessions (buổi diễn tại Paris Theatre ở London năm 1971), và sau đó trong How the West Was Won (buổi diễn tại Long Beach Arena năm 1972). Có vô vàn những dị bản audio khác nhau qua các ấn bản đã được phát hành của Led Zeppelin.