Filho do realizador Leo Penn e da atriz Eileen Ryan, Sea Penn nasceu no dia 17 de Agosto de 1960.

Popularizado pela sua relação amorosa nos anos 80 com madonna e tendo ganho fama de violento pelo feitio intempestivo cm que atacava paparazzi; é considerado um dos actores mais brilhantes da actualidade.

Ganhou o Óscar de Melhor Ator em 2004 pela sua atuação no filme «Mystic River» e em 2009 pelo filme «Milk».

Foi casado com a atriz Robin Wright, com quem tem dois filhos, Dylan Frances (13 de abril de 1991) e Hopper Jack (6 de agosto de 1993).

É irmão do músico Michael Penn e do falecido ator Chris Penn.