És igualment conegut com a actor, escollint guions sovint compromesos que el porten a papers tan diversos com el d'un discapacitat mental a I am Sam, de superpolicia a The Interpreter, de malalt a 21 grams, o de guitarrista còmic en Acords i desacords. Ha dirigit les pel·lícules The Indian Runner, The Crossing Guard, El jurament i Enmig de la Natura.
Penn va néixer a Santa Monica, a Los Angeles (Califòrnia). És el fill de l'actor i director Leo Penn, i de Eileen Ryan, que també és actriu. És germà del músic Michael Penn i de l'actor Chris Penn, que va morir el 2006. Els seus avis paterns eren immigrants jueus de Rússia i de Lituània, mentre que la seva mare és catòlica de descendència italiana i irlandesa. Segons ella, Leo Penn té avantpassats espanyols, ja que en realitat el vertader nom de família no és "Penn", sinó "Pinon". Ha estat educat en la laïcitat i és agnòstic.
Sean Penn va tenir una breu relació amb Susan Sarandon el 1984. Va estar casat amb Madonna de 1985 a 1989. Des de 1996, viu amb Robin Wright Penn, amb qui té dos nens: Dylan Frances (1991) i Hopper Jack (1993). Va anunciar el seu divorci el 28 de desembre de 2007 però, finalment, va anul·lar-ne el procés el 8 d'abril de 2008.[1] Viu en el Comtat de Marin, al nord de San Francisco.
El gener de 2008 va renunciar a la seva feina com a periodista en el diari San Francisco Chronicle del que era col·laborador. El motiu de la renuncia va ser que no li va agradar que el diari qualifiqués el president veneçolà Hugo Chávez com a dictador.
