W latach 1930–1937 wraz z żoną zrealizował, przy użyciu nowatorskich technik, pięć filmów awangardowych (m.in. Aptekę i Przygodę człowieka poczciwego – ten ostatni film zachował się (w przeciwieństwie do większości przedwojennych realizacji), które uznawane są za przełomowe w historii polskiego kina eksperymentalnego i awangardowego. W roku 2019 odnalazł się także film Europa. Filmy te tworzone były głównie za pomocą oryginalnego urządzenia umożliwiającego fotografowanie klatka po klatce przedmiotów umieszczanych na przezroczystej kalce. Themersonowie redagowali też czasopismo „f.a.” poświęcone filmowi artystycznemu.
Jeszcze przed wojną Stefan Themerson zainteresował się pisarstwem i poezją – publikował m.in. popularne, wierszowane opowieści dla dzieci (Narodziny liter, Nasi ojcowie pracują, Przygody Marcelianka Majster-Klepki).
W 1937 wyjechał wraz z Franciszką do Paryża. 3 września 1939 Themersonowie zgłosili się na ochotników do armii polskiej we Francji. W 1940 Franciszka przedostała się do Anglii, a Stefan dołączył do niej dwa lata później. W tym czasie napisał swoją pierwszą powieść (Wykład profesora Mmaa), opublikowaną w 1953 ze wstępem Bertranda Russella.