Sean Penn è nato a Los Angeles da una famiglia di artisti, con il padre Leo regista televisivo e la madre Eileen Ryan attrice.
Ha frequentato la Santa Monica High School e poi ha lavorato per due anni come tecnico di scena e assistente alla regia di Pat Hingle con il Group Repertory Theatre di Los Angeles.
Dopo aver diretto e interpretato varie rappresentazioni teatrali, Sean Penn ha deciso di cercare fortuna a New York declinando diverse proposte televisive; lì viene presentato da un amico al regista Art Wolff, che cercava gli interpreti per mettere in scena "Heartland" di Kevin Hellan.
Penn ottenne la parte ricevendo critiche entusiastiche malgrado il breve successo dello spettacolo, e nel 1981 fa il suo esordio al cinema in Taps - Squilli di Rivolta, e conferma il suo valore di giovane divo due anni dopo in Bad Boys.
Caratterino un po' particolare, nel 1985 sposa la rockstar Madonna (con la quale gira Shangai surprise), ma il matrimonio non si rivela molto felice, visto che i due divorziano 4 anni dopo. Intanto Sean riesce a farsi condannare per rissa nell'87 e la pena viene scontata dedicandosi ai servizi sociali in carcere per 32 giorni.
Nel '91 inizia la relazione con l'attrice Robin Wright (che sposa nel '96), poi gira film come "Carlito's Way" e soprattutto Dead Man Walking che gli vale la prima nomination alll'Oscar. Poi arrivano film come U Turn - Inversione di Marcia di Oliver Stone, The Game di David Fincher, La Sottile Linea Rossa di Terrence Malick, per finire con Accordi e disaccordi di Woody Allen, che gli regala la seconda nomination all'Oscar.