Sebastian Stan se narodil v Constantě v Rumunsku 13. srpna 1982, když mu však bylo osm, odstěhovali se do Vídně v Rakousku, kde matka pracovala jako pianistka. O čtyři roky později, poté, co si vzala ředitele jedné z tamějších soukromých škol, se přestěhovali znovu - tentokrát do Rockland County v New Yorku.

Ještě při svých studiích na Rockland Country Day School se objevil hned v několika hrách jako Harvey, Cyrano z Bergeracu, Little Shop of Horrors, Over Here či West Side Story. Navštěvoval rovněž slavný tábor Stagedoor Manor, kde byl často obsazován v táborových divadelních hrách. A právě tehdy se rozhodl, že je načase začít brát herectví vážněji a podal si přihlášky na několik umělecky zaměřených univerzit. Mimo jiných se dostal i  na Rutgers University, kde nakonec zakotvil a navštěvoval Mason Gross School of the Arts. To mu rovněž umožnilo strávit rok v zahraničí, který využil ke studiu herectví ve slavném Shakespearově divadle The Globe v Londýně ve Velké Británii.

Po návratu se objevil v několika nezávislých filmech včetně filmového zpracování interaktivní hry Tony n' Tina's Wedding či Červené dveře. Mimo to se objevil i v populárním seriálu Zákon a pořádek, kde ztvárnil roli duševně týraného Justina Capshawa, chlapce obviněného z mnohonásobné vraždy. Poté, co získal titul bakaláře umění v herectví v roku 2005 se objevil ve snímcích Architekt a Síly temna. O dva roky se vrátil na divadelní prkna, kde si zahrál ve hře Talk Radio, nominované na Pulitzerovu cenu.

Opravdový zlom pro něj znamenala role zhýralého Cartera Baizena v televizním hitu stanice CW (dříve WB) Gossip Girl. Tuto roli si během třech sezón zopakoval ještě několikrát. V roce 2007 si pak zahrál dalšího milionáře ve filmu Student Charlie Banks, který si odbyl svou premiéru na Tribeca Film Festivalu a vyhrál cenu "Best New York Narrative". Později se objevil v takových snímcích jako Rachel se vdává s Anne Hathaway, Samec s Ashtonem Kutcherem, Černá labuť Darrena Aronofského v hlavních rolích s Natalií Portman a Milou Kunis či v komedii To byl zítra flám.

Studio NBC jej v roce 2009 obsadilo do role prince Jonathana Benjamina, analogii biblického Jonatána, do svého seriálu Kings. Přestože se mezi diváky stal velice oblíbený, seriál byl po první sezóně zrušen. Pozornost široké veřejnosti však upoutal rolí Jamese Buchanana "Bucka" Barnese v marvelovce Kapitán Amerika: První Avenger, kde si zahrál nejlepšího přítele hlavní postavy, kterou ztvárnil Chris Evans. Tuto roli si s velkým úspěchem zopakoval i v pokračování Návrat prvního Avengera. 

Není žádným tajemstvím, že Sebastian má se společností Disney smlouvu hned na devět marvelovských snímků, je tedy jisté, že o něm ještě hodně uslyšíme.