Sebastian Stan wird in Rumänien geboren und zieht im Alter von acht Jahren mit seiner Mutter nach Wien um. Vier Jahre später folgt er ihr nach New York, als sie dort den Direktor einer Privatschule heiratet. Während seiner Zeit im „Big Apple“ besucht er die Rockland Country Day School und spielt in mehreren Schulaufführungen mit. Stan nimmt auch an Produktionen des Sommer-Theaters Stagedoor Manor teil, was ihn dazu veranlasst, ernsthaft eine Karriere als Schauspieler anzustreben. Nach seinem Abschluss an der Rutgers University in New Jersey verbringt er ein Jahr in London, wo er am Shakespeare's Globe Theatre auftritt.

Nach seiner Rückkehr nach New York beginnt Stan in Indie-Filmen wie „Tony N‘ Tina's Wedding“, „Red Doors“ und „The Architect“ mitzuwirken. Daneben ergattert er kleine Parts in lokal gedrehten TV-Serien wie „Law & Order“, bevor er eine über drei Staffeln wiederkehrende Rolle in „Gossip Girl“ bekommt, die einen ersten Durchbruch markiert.

Auf der Welle seiner nun deutlich gesteigerten Bekanntheit reitend, ist er immer häufiger in Studio-Produktionen wie „Rachels Hochzeit“, „Toy Boy“ und „Black Swan“ zu sehen. Im Jahr 2011 steuert seine Karriere jedoch auf einen wahrlich bedeutenden Wendepunkt zu, als er für „Captain America - The First Avenger“ als Bucky Barnes, der beste Freund des Titelhelden, gecastet wird. Im Anschluss daran zählt er als der verrückte Hutmacher zur Besetzung der Serie „Once Upon A Time - Es war einmal...“ und spielt in der Miniserie „Political Animals“ mit, die den Werdegang einer ehemaligen US-Außenministerin (Sigourney Weaver) nachzeichnet.

2014 kehrt Stan zu seiner Rolle als Bucky Barnes in „Captain America 2: The Return Of The First Avenger“ zurück und verkörpert dabei auch den gefürchteten Winter Soldier. Zwei Jahre später kommt mit „The First Avenger: Civil War“ sein dritter Auftritt im Marvel-Franchise in die Kinos. Zwischen den Mega-Blockbustern gibt er in „Ricki - Wie Familie so ist“ eines von Meryl Streeps drei Kindern und versucht in „Der Marsianer“ Matt Damon zu retten, der sich komplett allein auf dem Mars wiederfindet.

Weitere, mal größere, mal kleinere MCU-Auftritte als Bucky Barnes/Winter Soldier in „Black Panther“, „Avengers 3: Infinity War“, „Avengers 4: Endgame“ und der TV-Serie „The Falcon And The Winter Soldier“ folgen. Diese wechseln sich mit Dreharbeiten zum Oscar-Gewinner „I, Tonya“, Steven Soderberghs populärem Heist-Movie „Lucky Logan“, dem Liebesdrama „Love Again“, dem feministischen Actioner „The 355“, dem herrlich schwarzhumorigen Horrorfilm „Fresh“ sowie der überdrehten Miniserie „Pam & Tommy“ über die turbulente Beziehung von „Baywatch“-Star Pamela Anderson und Mötley-Crüe-Drummer Tommy Lee ab.