Nato a Los Angeles nel 1960, figlio di Leo Penn (1921-1998), regista televisivo (il quale, negli anni Settanta, diresse anche L’uomo dell’anno e I cospiratori, due fra i migliori episodi di Il Tenente  Colombo) e fratello maggiore dell’attore Christopher Penn (1965-2006, Rusty il selvaggio - 1983 - di Francis Ford Coppola, Il cavaliere pallido - 1985 - di e con Clint Eastwood, Le iene - 1992 - di Quentin Tarantino, America oggi - 1993 - di Robert Altman, Beethoven 2 - 1993 -, Fratelli - 1996 - di Abel Ferrara, After the Sunset - 2004 - di B. Ratner, The Darwin Awards - 2006 - di F. Taylor), interprete dotato di enormi capacità e di un temperamento sanguigno e ribelle, Sean Justin Penn - meglio noto come Sean Penn - è stato fra i migliori rappresentanti dei cosiddetti “bad boys” degli anni Ottanta, ribelli senza causa e senza avvenire in stridente contrasto con il conformismo ed il perbenismo dell’America reaganiana.

Esordisce al cinema molto giovane in Taps - Squilli di rivolta (1981) di Harold Becker e due anni dopo ottiene il suo primo ruolo da protagonista con Bad Boys (1983) di Rick Rosenthal.

Nel 1986 recita con Madonna in Shanghai Surprise di Jim Goddard e, nei sei/sette anni seguenti, mostra tutto il suo talento in Colors - Colori di  guerra (1988) di Dennis Hopper, Berlino - Opzione zero (1988), diretto da suo padre L. Penn, Vittime di guerra (1989) di Brian De Palma, Stato di grazia (1990) di Phil Joanou, ottimo gangster movie (in cui recita con Robin Wright, Ed Harris, Gary Oldman, John Turturro e John C. Reilly) che ebbe la “sfortuna” di uscire nello stesso anno di Quei bravi ragazzi di Martin Scorsese, che lo oscurò quasi del tutto, e Carlito’s Way (1993) di B. De Palma.

Straordinaria anche la sua performance di un assassino condannato a morte in Dead Man Walking - Condannato a morte (1995) di Tim Robbins, con cui ottiene una Nomination all’Oscar come Miglior Attore Protagonista, ed a cui seguono U-Turn - Inversione di marcia (1997) di Oliver Stone, La sottile linea rossa (1998) di Terrence Malick ed un ruolo più leggero - ma sempre sofferto - in Accordi e disaccordi (1998) di Woody Allen, in cui interpreta un musicista jazz degli anni Trenta e con cui ottiene una seconda Nomination all’Oscar come Miglior attore Protagonista.

Quando è dietro alla macchina da presa le sue scelte coincidono perfettamente con il carattere intenso e l’anticonformismo delle sue performances da attore: Lupo solitario (1991), Tre giorni per la verità (1995) e La promessa (2001) sono film dal profondo impatto emotivo con uno stile dai toni classici ed un gusto orgogliosamente inattuale (in particolare modo La promessa, in cui riesce a controllare l’istrionismo di un bravissimo Jack Nicholson in una rilettura del racconto omonimo di F. Durrenmatt. Con Into the Wild - Nelle terre selvagge (2007) racconta con appassionata convinzione la parabola esistenziale del ventenne ribelle Christopher McCandless, in fuga dalle convenzioni e dalle comodità della vita borghese per una spasmodica ed affannosa ricerca di libertà.

Nel 2002 è l’unico autore americano a partecipare al film collettivo 11 settembre 2001, commossa e critica lettura del tristemente noto attacco terroristico alle Twin Towers di New York.

Da attore, l’anno seguente vince la Coppa Volpi alla Mostra del Cinema di Venezia per 21 grammi (2003) di Alejandro Gonzales Inarritu e l’Oscar come Miglior Attore Protagonista per il ruolo del padre accecato dalla rabbia per l’assassinio della figlia in Mystic River (2003) di Clint Eastwood, con Kevin Bacon, Tim Robbins, Laura Linney e Marcia Guy Harden.

Offre prove superlative anche nel ruolo dell’aspirante omicida di Nixon in The Assassination (2004) di Niels Mueller, dell’agente dell’FBI in The  Interpreter (2005) di Sydney Pollack (alla sua ultima regia), in cui recita con Nicole Kidman, ed in Tutti gli uomini del re (2006) di Steven Zaillian, remake del film omonimo del 1949 diretto da Robert Rossen ed interpretato da Broderick Crawford (Oscar come Miglior Attore Protagonista).

Tre anni dopo è di nuovo eccellente nel ruolo di Harvey Milk, leader delle lotte per i diritti civili degli omosessuali assassinato a San Francisco nel ’78 in Milk (2009) di Gus Van Sunt, con cui vince un secondo Oscar come Miglior Attore Protagonista. 

Fra gli altri film ricordiamo Fuori di testa (1982) di Amy Heckerling, Summerspell (1983) di Lina Shanklin, Crackers (1984) di Louis Malle, In gara con la luna (1984) di Richard Benjamin, Il  gioco del falco (1984) di John Schlesinger, A distanza ravvicinata (1986) di James Foley, Prove d’accusa (1997) di Erin Dignam, She’s So Lovely - Così carina (1997) di Nick Cassavetes, The Game  - Nessuna regola (1997) di David Fincher, Piscine - Incontri a Beverly Hills (1997) di Robert Downey Sr., Una notte per decidere (2000) di Philip Haas, Prima che sia notte (2000) di Julian Schnabel, Il mistero dell’acqua (2000) di Kathryn Bigelow, Mi chiamo Sam (2001) di Jessie Nelson, con cui ottiene la sua terza Nomination all’Oscar come Miglior Attore Protagonista, Le forze del destino (2003) di Thomas Vinterberg, Disastro a Hollywood (2008) di Barry Levinson, Fair Game - Caccia alla spia (2010) di Doug Liman, The Tree of Life (2011) di Terrence Malick, This Must be The Place (2011) di Paolo Sorrentino.

In epoche più recenti è apparso in Gangster Squad (2013) di Ruben Fleischer, I sogni segreti di Walter Mitty (2013) di Ben Stiller, The  Gunman (2015) di Pierre Morel (2015), Il professore e il pazzo (2019) e ha diretto il drammatico Il tuo ultimo sguardo (2016).

Attivo anche in televisione, è apparso in film tv (La strana morte di Randy Webster - 1981 - di Sam Wanamaker) ed in alcuni episodi di serie e miniserie (Friends, Due uomini e mezzo, I Griffin, The First

Da produttore, ha lavorato ai documentari Witch Hunt (2008), Love Hate  Love (2011) e The Human Experiment (2013) di Don Hardy Jr. e Dana Nachman, Dirty Hands Caravan (2010) di Alison Thompson, e Sebastian Beach One Fine Day (2012) di Billy Yeager.