Han kortade en sex-under-par runda av 64 för att avsluta 21 under, ett skott framför American Ollie Schniederjans.
Före detta världsmästare Stenson slog åtta fåglar i sin avslutningsrunda, varav tre i rad från den 15:e.
Schniederjans sköt också 64, medan landsman Webb Simpson avslutade fyra skott tillbaka på tredje plats.
American Davis Love, vid 53 försöker bli den äldsta vinnaren i USA PGA Tour historia, avslutade åtta skott på drift i en slips för 10: e.
Stenson, 41, sade: " Jag vet inte hur många gånger jag kommer att komma lika nära att spela som jag gjorde på Troon.
"Jag är bara väldigt nöjd med hur jag slutade den här veckan."
Sveriges Henrik Stenson vann Wyndham Championship för att få sin första titel sedan The Open på Royal Troon förra året.