Né à Santa Monica (Californie), Sean Penn, deuxième fils (sur trois au total) du réalisateur Leo Penn et de la comédienne Eileen Ryan. Pendant les dix premières années de sa vie, Sean et sa famille déménagent pas mal, mais toujours au sein de la riante Californie. Finalement, ils s'installent pour de bon à Malibu, où Sean se prend immédiatement de passion pour le surf. Ami des garçons du voisinage (Emilio Estevez, Charlie Sheen, Rob Lowe, etc.), Sean Penn et sa bande s'adonnent également bientôt aux joies de tourner de petits films en 8 mm. Après l'obtention du bac, Sean renonce à entrer à l'université et préfère rejoindre une troupe théâtrale, la Los Angeles Repertory Theater, où il travaille en backstage et met en scène une pièce, "Terrible Jim Fitch". Il part en suite étudier l'art dramatique avec la (soi-disant) légendaire Peggy Fleury et, à l'âge de 19 ans, fait ses débuts professionnels dans un épisode de la série télé "Barnaby Jones". Il apparaît bientôt dans le téléfilm à succès "The Killing of Randy Webster", avec Hal Holbrook, et dans un pilote, "Hellinger's Law", auquel participe également Telly Savalas. Mais ces expériences ne satisfont guère notre jeune comédien, déjà doté d'un fort caractère. Parti pour New York, il tente sa chance sur scène et, après une première audition ratée, obtient un rôle dans une pièce qui lui vaut d'être remarqué par le directeur de casting de Taps, qui sera son premier film, en 1981.

Il a été marié avec  Madonna  de 1985 à 1989. En 1990, il fait la connaissance de  Robin_Wright  , une actrice notamment connue pour son rôle dans la série Santa Barbara. Après plusieurs séparations et réconciliations, ils se marient en 1996. Ensemble, ils ont deux enfants :  Dylan_Penn Frances (1991) et  Hopper_Jack_Penn  (1993). Ils divorcent durant l'été 2010.