Sean Penn, Santa Monica, California'da aktör ve yönetmen Leo Penn ile aktris Eileen Ryan'ın (kızlık soyadı Annucci) çocuğu olarak dünyaya geldi. Ağabeyi müzisyen Michael Penn'dir. Küçük kardeşi aktör Chris Penn 2006 yılında öldü. Babasının büyükbabası Rus İmparatorluğu'ndan Yahudi göçmenlerdi, annesi ise İrlandalı ve İtalyan kökenli bir Katolikti. Penn, Malibu, California'da laik bir evde büyüdü ve Malibu'nun o zamanlar lisesi olmadığı için Malibu Park Junior Lisesi ve Santa Monica Lisesi'ne girdi. Evinin yakınında yaşayan aktörler Emilio Estevez ve Charlie Sheen dahil bazı çocukluk arkadaşlarıyla kısa filmler çekmeye başladı.
