Penn sinh năm 1960 tại Quận Los Angeles, California[2] trong gia đình của ông Leo Penn, một diễn viên và đạo diễn, và bà Eileen Ryan, cũng là một diễn viên. Sean Penn có anh trai là Michael Penn, một nhạc sĩ, và một em trai là Chris Penn, Chris cũng là diễn viên như Sean Penn, anh qua đời năm 2006. Ông bà nội của Sean Penn là những người gốc Do Thái di cư đến Mỹ từ Nga[3][4] còn mẹ của Sean là một người Mỹ gốc Ý và Ireland theo Công giáo.[5] Penn được nuôi dạy trong một gia đình thế tục, bản thân ông là một người theo thuyết bất khả tri.[6]