Sebastian Stan urodził się 13 sierpnia 1982 roku w rumuńskim mieście Konstanca. Kiedy miał osiem lat, przeprowadził się do Wiednia, gdzie jego matka pracowała jako pianistka. Po tym jak poślubiła dyrektora szkoły prywatnej, przenieśli się do hrabstwa Rockland w stanie Nowy Jork. Uczył się w Country Day School Rockland, gdzie zagrał w sztukach takich jak: "Harvey", "Cyrano de Bergerac", "Little Shop of Horrors", "Over Here" oraz "West Side Story". Sebastian przez rok występował w Globe Theatre w Londynie. Ukończył studia aktorskie na Rutgers University w New Brunswick.

Swoją karierę  rozpoczął od gościnnego występu w serialu kryminalnym - "Prawo i porządek". Swoją pierwszą poważną rolę otrzymał w 2004 roku, kiedy partnerowałMili Kunis w komedii "Tony 'n' Tina's Wedding". Dwa lata później otrzymał rolę Chase'a Collinsa w horrorze science-fiction - "Pakt Milczenia". W 2007 roku wystąpił broadwayowskiej produkcji "Talk Radio", a wkrótce potem otrzymał angaż do serialu "Kings", w którym zagrał postać Jacka Benjamina. Sebastian wystąpił również w teledyskuHayden Panettiere do utworu "Wake Up Call". W 2010 roku ponownie pojawił się u bokuKunis w produkcji nagrodzonej Oscarem - "Czarny łabędź". W tym samym roku aktor był rozważany do udziału w filmie "127 godzin", jednak nie otrzymał angażu. Sebastian ma na swoim koncie gościnny występ w serialu stacji ABC - "Dawno, dawno temu".

W 2011 roku wystąpił w filmie "Captain America: Pierwsze starcie", gdzie wcielił się w postać Jamesa Buchanana Barnesa, zanim jednak otrzymał propozycję zagrania tego bohatera, był brany pod uwagę do głównej roli. Rok później Sebastian otrzymał swoją pierwszą nominację do nagrody Critics' Choice Television, za udział w serialu "Political Animals". Następnie wystąpił w filmach "Zaginiona" oraz "Zjawy". Aktor w 2014 roku powrócił do roli Jamesa "Bucky'ego" Barnesa w filmie "Kapitan Ameryka: Zimowy żołnierz". W 2015 roku Sebastian wystąpił w komedii "The Bronze", w dramacie "Nigdy nie jest za późno", a także w filmie "Marsjanin" Ridleya Scotta. Jednocześnie aktor rozpoczął zdjęcia do trzeciej odsłony przygód Kapitana Ameryki - "Captain America: Civil War."

W 2008 roku wystąpił w teledyskuHayden Panettiere do piosenki "Wake Up Call".

Ukończył studia licencjackie z aktorstwa na Uniwersytecie Rutgersaw w New Brunswick (New Jersey, USA).

Był brany pod uwagę do głównej roli w filmie "Captain America: Pierwsze Starcie". Ostatecznie otrzymał jąChris Evans.