Babası yönetmen Arthur Penn Rus Yahudisi, annesi Eileen Ryan ise İtalya kökenlidir. Ayrıca Michael adında bir ağabeyi ve Chris adlı bir kardeşi vardır. Sean Penn, çocuk yaşlarda sinemaya ilgi duyarak, o dönemin favori aygıtlarından 'Süper 8' denen kameralarla film çekme denemeleri yaptı. Los Angeles Repertory Theater`de oyunculuk eğitimi aldı. İlk deneyimini Barnaby Jones adlı bir dizide oyunculuk yaparak yaşadı. Üne kavuşmasını sağlayan; Ridgemont Lisesinde Hızlı Günler (1982) filmindeki Jeff Spicoli rolü oldu. 1985 - 1989 yılları arasında popstar Madonna ile evli kaldı. 1988 yapımı Renkler adlı filmde yeteneğinin zirvesine çıktı. 1991'de yönetmenliğe başladı. Aynı yıl, 1996'da evleneceği kadın olan Robin Wright ile birlikte yaşamaya başladı, bu beraberlikten Dylan Penn (d. 1991) ve Hopper Penn (d. 1993) adlarında iki çocukları oldu. 2010'da ayrıldılar. Toplumsal ve sosyal içerikli filmlerde rol aldı, yönetti.

Halen California'da yaşayan ve bir Fransız restoranı işleten Amerika'lı aktör; ABD yönetiminin sert bir muhalifi olup, Irak, İran, Venezuela gibi ülkelere 'serbest muhabir' olarak ziyaretlerde bulunarak, Amerikan devlet politikasının yanlışlıkları üzerine ABD halkına yönelik bilinçlendirme çalışmaları yapmaktadır.