Sebastian Stan nasceu 13 de agosto de 1983 em Constança, Romenia. Filho único, aos 8 anos mudou-se com sua mãe para Viena, onde ela trabalhava como uma pianista; mais tarde, quando Sebastian completou 14 anos, cruzaram o oceano para viver em Rockland County, Nova York, após a mãe casar-se com o dono de uma escola privada americana.

Durante seus anos na Rockland Country Day School, estrelou produções como Harvey, Cyrano de Bergerac, Little Shop of Horror, Over Here e West Side Story. Em um acampamento de verão, Stagedoor Manor, foi introduzido no mundo da atuação e foi escalado em várias produções como Grease e Sweet Charity. Visando seu futuro como ator, Sebastian inscreveu-se em inúmeros programas de atuação em várias faculdades.

Foi aceito e cursou a Rutgers University Mason Gross School of the Arts. Isso lhe deu a oportunidade de passar um ano estudando atuação no Sheakespeare’s Globe Theatre em Londres. Enquanto estudava, trabalhou em alguns filmes independentes e conseguiu um papel primordial na season finale de Law & Order. Sua estreia nos filmes foi no terror sobrenatural de 2006 dirigido por Renny Harlin, entitulado “The Covenant” (O Pacto); em 2006, Sebastian foi convidado para atuar no drama jovem-adulto Gossip Girl, como o personagem Carter Baizen. Reprisou o papel no último episódio da segunda temporada, e tornou-se personagem recorrente na terceira, quando o personagem foi o interesse amoroso da protagonista Serena van der Woodsen. Em 2010, continuou a construir carreira com papeis menores, como em Hot Tube Time Machine e Cisne Negro, até conseguir o papel de Bucky Barnes, em 2011, no filme Capitão América: O Primeiro Vingador, personagem baseado nas histórias em quadrinhos da Marvel. Reprisou o papel na sequência Capitão América: O Soldado Invernal.

Com sua carreira estourando nas telas, Sebastian também estrelou na peça Picnic da Broadway, produção que teve sua última apresentação em 24 de fevereiro de 2013.