Hijo del director y actor Leo Penn y de la actriz Eileen Ryan, Sean Penn, hermano mayor de Chris Penn, se forma en el Group Repertory Theatre de Los Ángeles. Allí estudia teatro y puesta en escena, y comienza a dar sus primeros pasos como actor sobre los escenarios. Después de varias apariciones en la televisión, el actor debuta en la gran pantalla en 1981, con un papel en ‘Taps, más allá del honor’, de Harold Becker, junto a Tom Cruise. Sin dejar el teatro, continúa haciendo sus primeros papeles en el mundo del cine a las órdenes de John Schlesinger, en ‘El juego del halcón’, y Louis Malle, en ‘Crackers (Crackers).En 1986, se casa con Madonna, con la que trabaja en ‘Shanghai Surprise’ (1986). El fracaso comercial de la película no impide que Sean Penn se imponga en Hollywood. Interpreta al hijo de Christopher Walken en ‘Hombres frente a frente’ (1986), y a un joven policía en ‘Colors (Colores de guerra)’ (1988), de Dennis Hopper. Su gran temperamento y rebeldía le ayudan a interpretar a personajes violentos. Da vida a un soldado, y violador, americano en ‘Corazones de hierro’ (1989) y es condenado a muerte en ‘Pena de muerte’ 1995. Pero también se mete en la piel de perdedores como en ‘Atrapada entre dos hombres’ (1997), junto a su segunda mujer Robin Wright Penn. Los roles que interpreta también son cínicos y manipuladores, por ejemplo en ‘Atrapado por su pasado’, ‘U-Turn, giro al infierno’, ‘The Game’ y ‘La delgada línea roja’.
Actor reconocido y consagrado (premio al mejor actor en el Festival de Cannes de 1997), Sean Penn también prueba como realizador. En 1991 dirige su primer largometraje ‘Extraño vínculo de sangre’, para el que él mismo escribe el guión. En su segunda película, ‘Cruzando la oscuridad’, dirige a Jack Nicholson, quien da vida a un padre desesperado y vengativo. Penn vuelve a trabajar con Nicholson en ‘El juramento’, un drama policíaco basado en la novela de Friedrich Dürrenmatt, que se presenta a competición en la sección oficial del Festival de Cannes de 2001. Aunque es raro verle en la gran pantalla, Sean Penn acepta protagonizar ‘Mystic River’ (2003), a las órdenes de Clint Eastwood, por la que se lleva el Oscar al Mejor Actor en 2004. Lejos de los grandes estudios de Hollywood, el actor actúa en filmes independientes como ’21 gramos’ (2004), de Alejandro González Iñárritu, y ‘El asesinato de Richard Nixon’ (2004), bajo la dirección de Niels Mueller. Se reúne por primera vez con Sydney Pollack en 2005 en el thriller político ‘La intérprete’, junto a Nicole Kidman.
Sean Penn vuelve detrás de las cámaras en 2007 y le da a Emile Hirsch su primer gran papel en ‘Hacia rutas salvajes’. El actor también protagoniza el filme político ‘Mi nombre es Harvey Milk’ (2010), un biopic dirigido por Gus Van Sant sobre un activista, y político, norteamericano, sobre los derechos de los homosexuales, asesinado en 1978 en San Francisco. Después, se une al reparto de ‘El árbol de la vida’ de Terrence Malick.