Vai diễn đầu tiên của Sean Penn là trong một tập phim năm 1974 của loạt phim truyền hình Ngôi nhà nhỏ trên thảo nguyên (Little House on the Prairie)[7]. Vai diễn điện ảnh đầu tiên của Sean Penn là trong bộ phim Taps (1981). Đến năm 1983, Penn bắt đầu được chú ý với vai diễn Mick O'Brien trong bộ phim Bad Boys. Năm 1986, Penn diễn chung với Christopher Walken trong bộ phim At Close Range, tác phẩm này sử dụng bài hát "Live to Tell" của ngôi sao ca nhạc trẻ Madonna. Một thời gian ngắn sau đó, Penn và Madonna lập gia đình.

Năm 1995, Sean Penn được đề cử Giải Oscar cho nam diễn viên chính xuất sắc nhất đầu tiên cho vai diễn người tử tù trong bộ phim của đạo diễn Tim Robbins, Dead Man Walking. Sau đề cử cho Dead Man Walking, Penn còn hai lần nữa được đề cử và thất bại ở hạng mục này với vai diễn trong các phim Sweet and Lowdown (1999) và I am Sam (2001). Ở lần đề cử thứ 4 năm 2003 với vai diễn trong Mystic River, Penn đã có giải Oscar đầu tiên, ông tiếp tục chiến thắng ở hạng mục Vai nam chính vào năm 2008 với vai diễn chính trị gia đồng tính Harvey Milk trong bộ phim Milk.

Không dừng lại ở vai trò diễn viên, Penn thử sức với vị trí đạo diễn từ năm 1991 với bộ phim The Indian Runner. Sau The Indian Runner, Sean Penn còn đạo diễn ba bộ phim khác được đánh giá cao là The Crossing Guard (1995), The Pledge (2001) và Into the Wild (2007).