Sebastian Stan nació en Constanza, Rumania, el 13 de Agosto de 1982. Sus padres se separaron cuando él tenía 2 años. A la edad de 8, su madre se mudó, junto con Sebastian, a Viena, Austria, poco después de la revolución rumana. Su estancia en Viena no duró mucho, pues cuatro años después, se mudaron a Nueva York, donde su madre conoció y se casó con Anthony Fruhauf, el director de la escuela Rockland Country Day School, donde el chico se educó. Es en ese colegio, donde Sebastian empezó a probar la actuación, en obras teatrales escolares como Cyrano de Bergerac, West Side Story y Little Shop of Horrors. Más adelante, asistió al campamento de verano actoral en Stagedoor Manor, donde fue elegido para varias obras y empezó a tomarse la actuación como algo serio y que podría hacer de forma profesional.

Pasó un año, como estudiante de intercambio, en el prestigioso Shakespeare`s Globe Theatre en Londres. A su regreso, empezó a aceptar papeles pequeños en cine y televisión. Participo en cintas como The Covenant (2006), El Cisne Negro (2010), The Apparition (2012) y en episodios de la serie de televisión Gossip Girl.

Es en 2011 cuando viene su gran oportunidad, en el papel de Bucky Barnes, en la cinta Capitán América, El Primer Vengador. Poco después apareció en cintas como Gone (2012), Political Animals (2012) y repitiendo el papel de Barnes para las cintas Capitán America: El Soldado del Invierno (2014) y Capitán America: Civil War (2016)