S-a nascut pe 13 august 1982 in Constanta, iar la varsta de 8 ani s-a mutat impreuna cu mama lui in Viena, unde ea s-a angajat ca pianista. La 12 ani s-au mutat in Rockland County, NY. A absolvit Universitatea Rutgers din New Jersey, studiind in timpul acesteia un semestru la Globe Theater din Londra. Printre cele mai importante realizari se numara thriller-ul "The Covenant" (2006) si ultimul lui proiect, "The Education Of Charlie Banks"(2008). Actorul locuieste in prezent in New York. A urmat cursurile celebrei scoli de vara Stagedoor Manor. Si-a facut singur toate cascadoriile din filmul The Covenant si a ramas bun prieten cu Chace Crawford si Toby Hemingway, colegii lui de platou. Cu Chace Crawford a mai jucat de asemenea in serialul de succes "Gossip Girl", unde a intalnit-o si pe Leighton Meester cu care a avut o relatie timp de doi ani, din 2008 pana in 2010. S-a intalnit si cu Dianna Agron din Mai pana in Decembrie 2011. El s-a mai intalnit cu Jennifer Morrison, co-star-ul emisiunii "Once Upon a Time", din februarie 2012 pana in august 2013. Sebastian este singur la parinti.
Părinții lui au divorțat când el avea doi ani. Când avea opt ani, Sebastian Stan și mama sa, Georgeta Orlovschi, s-au mutat la Viena, Austria, unde ea a fost angajată ca pianistă, după Revoluția din 1989 din România. Patru ani mai târziu, s-au mutat în Rockland County, New York, după ce mama lui s-a căsătorit cu directorul unei școli din Statele Unite. Sebastian a fost crescut în religia creștin-ortodoxă. În timpul când el era la Școala Rockland, a jucat în producții, precum: Harvey, Cyrano de Bergerac, Little Shop of Horrors, Over Here ! și West Side Story. De asemenea, a fost distribuit în multe producții din tabăra de vară Stagedoor Manor. Atunci a decis să ia actoria în serios și a început să aplice pentru programe de actorie la mai multe universități. A urmat cursurile Mason Gross School of the Arts de la Universitatea Rutgers, ceea ce i-a oferit oportunitatea de a petrece un an în străinătate studiind actoria la Shakespeare s Globe Theatre din Londra, Anglia. A absolvit Rutgers în 2005. Stan a devenit cetățean al Statelor Unite în 2002. După o apariție în filmul din 1994, 71 Fragments of a Chronology of Chance, cariera lui Stan a început serios cu un rol în Law & Order (2003), apoi în Ușile roșii (2005). Au urmat mai multe apariții în filme, inclusiv Nunta lui Tony și Tina, The Architect, The Covenant, înainte de a câștiga rolul recurent Carter Baizen din Gossip Girl începând din 2007. În 2008, a apărut în Rachel se căsătorește, iar în 2009, în Răspândire. În 2010, a apărut în thrillerul lui Darren Aronofsky, Black Swan, și în comedia Hot Tub Time Machine în rolul antagonistului Blaine. Sebastian Stan s-a remarcat și în rolul Bucky Barnes /Winter Soldier din franciza Marvel Cinematic Universe, începând cu filmul Captain America: The First Avenger (2011), în miniseria The Falcon and the Winter Soldier (2021). La televiziune, Stan a jucat și rolurile Prințul Jack Benjamin din Kings (2009), Jefferson din Once Upon a Time, TJ Hammond din Political Animals (2012). Acesta din urmă i-a adus o nominalizare la Critics Choice Television Award pentru cel mai bun actor în rol secundar într-un film/miniserie. În 2012, a jucat în: thrillerul Gone, filmul de groază The Apparition, Once Upon a Time, rolul Pălărierul nebun. În 2013, Stan l-a jucat pe Hal Carter în producția lui William Inge, Picnic, la American Airlines Theatre din New York. După The Bronze (rolul Lance Tucker), Stan și-a reluat rolul Winter Soldier în Ant-Man (2015), făcând o apariție cameo, și Captain America: Civil War (2016). A mai apărut în Labirint (2016), Eu mor aici (2017). În 2017, a jucat în Gillespie și în drama Nu sunt aici. În 2018, Stan l-a portretizat din nou pe Winter Soldier atât în Black Panther, o apariție necreditată, cât și în Avengers: Infinity War. Apoi a jucat alături de Nicole Kidman în filmul thriller Destroyer (2018). Stan l-a portretizat pe Charles Blackwood în We Have Always Lived in the Castle, o adaptare a romanului cu același nume al lui Shirley Jackson. Primul film al lui Stan din 2019 a fost Avengers: Endgame, unde și-a reluat rolul Winter Soldier, iar al doilea film al anului, Endings, Beginnings, a avut premiera la Festivalul Internațional de Film de la Toronto. Stan a jucat rolul protagonistului Scott Huffman în filmul de dramă The Last Full Measure, lansat în ianuarie 2020. În plus, Stan a apărut în Monday și The Chain. În februarie 2019, el l-a înlocuit pe colegul său, Chris Evans, în filmul de dramă The Devil All the Time, care a avut premiera în 2020. A jucat în serialul de televiziune, The Falcon and the Winter Soldier, din 19 martie 2021 până la 23 aprilie 2021. În mai 2019, Stan s-a alăturat distribuției thriller-ului de spionaj The 355, lansat în 2022. În același an, a primit laude de la critici pentru rolul Tommy Lee din miniseria Pam & Tommy, câștigând un premiu Primetime Emmy pentru cel mai bun actor principal într-o serie limitată și o nominalizare la premiul Globul de aur pentru 2023. Pe marele ecran a mai jucat în comedia-dramă a lui Jonathan Demme, Ricki and the Flash (2015, rolul Joshua Brummel), în filmul S.F. al lui Ridley Scott, The Martian (2015, rolul savantului NASA Dr. Chris Beck), în filmul lui Steven Soderbergh, Logan Lucky (2017), în filmul biopic I, Tonya (2017, rolul Jeff Gillooly), în thrillerul Fresh (2022). Stan este un susținător al multor organizații caritabile, inclusiv Our Big Day Out, o organizație nonprofit cu sediul în România, care ajută la asigurarea unei calități mai bune de viață pentru copii. În februarie 2018, el a mulțumit fanilor în numele organizației pentru participarea la strângerea de fonduri. El este, de asemenea, asociat cu Casa Ronald McDonald. În 2020, a participat la prima gală virtuală a organizației de caritate alături de colegul său, Anthony Mackie. Alte organizații caritabile susținute de Stan sunt Dramatic Need și Salvați copiii.
