Martin Sheen ve Janet Sheen'in dört çocuğundan biri olarak, 3 Eylül 1965'te New York City'de dünyaya geldi. Santa Monica Lisesi'ne devam ederken sinema ve beyzbola olan tutkusunu keşfetti ve bu dönemde Super 8 kamerayla çektikleri 200'den fazla amatör filmde yer aldı. Bu filmlerde sınıf arkadaşı olan Rob Lowe ve Sean Penn de vardı. Aynı zamanda okulunun beyzbol takımında da atıcılık yapan Sheen, mezuniyete birkaç hafta kala düşük notları ve devamsızlığı nedeniyle liseden atıldı.
Sheen 9 yaşındayken, babasının oynadığı The Execution of Private Slovik adlı televizyon filminde kendisine verilen küçük bir rolle oyunculuğa başladı. 1986 Yılında Platoon adlı filmdeki rolüyle sinema dünyasında tanınmaya başladı. 1987'de Wall Street adlı filmde babasıyla başrolü paylaştı. 2000'de Being John Malkovich'te kendisini canlandırdı. Oynadığı dizilerle büyük seyirci kitlesi edinen Sheen, 2001-2002 sezonu boyunca Michael J. Fox'un yerine girdiği Spin City'de rol aldı. Bu televizyon dizisindeki rolü ile komedi dalında en iyi aktör Altın Küresi'ni aldı. Birçok ödül adaylıkları da bulunan Sheen, 2003 yılında Two and a Half Man adlı komedi dizisinde oynamaya başladı. Charlie Harper rolünü tam 8 sezon sürdürdü. 2012'den 2014'e dek Anger Management dizisinde başroldeydi.
Lise yıllarından kız arkadaşı Paula Profit'le ilişkisinden 1984'te Cassandra Jade Estevez adındaki ilk çocuğu dünyaya geldi. İlk resmi evliliğini ise 1995'te Donna Peele ile yaptı, ancak evlilik 1 yıl sürdü. 2002'de bir başka tanınmış oyuncu Denise Richards ile evlendi. Bu evlilikten Sam (d. 2004) ve Lola Rose (d. 2005) adlarında 2 çocuğu oldu. Ancak ev içi şiddet ve alkol gibi sebeplerle Richards tarafından boşanma davası açıldı ve 2006'da resmen boşandılar. 2008'den 2011'e dek evli kaldığı Brooke Mueller ile de evliliği olaylı geçti. 2009'da Bob ve Max adlı ikizleri dünyaya geldi. Mueller'le boşanması sonrası Bree Olson, Brett Rossi gibi yetişkin filmleri oyuncularıyla medyatik ilişkiler yaşadı.
Kardeşleri Emilio Estevez, Ramon Luis Estevez ve Renee Estevez de oyuncudur. 2015 yılında HIV virüsü taşıdığını açıklamıştır.