Charlie Sheen, született Carlos Irwin Estevez, Martin Sheen legfiatalabb fia. Már fiatal korában is nagy volt a versengés közte és bátyja, Emilio Estevez között. Nem volt jó tanuló, és a rendszertelen iskolalátogatás miatt pár héttel az érettségi előtt kirúgták a középiskolából. Még iskolás évei alatt felfedezte fel magában a színészi ambícióit, és osztálytársaival, Rob Lowe-val és Sean Pennel amatőr filmeket forgattak. Annak ellenére, hogy leginkább profi baseball játékos szeretett volna lenni, apja és bátyja nyomdokaiba lépett. A középiskola után kapott néhány lehetőséget, főleg fiataloknak szánt tévés sorozatokban játszott mellékszerepeket. Váratlanul tört be a színészi elit közé az Oliver Stone rendezésében bemutatott A szakasz (1986) című filmmel. A következő évben szintén együtt dolgozott a kompromisszumot nem ismerő rendezővel a Tőzsdecápák (1987) című ambiciózus és sokat vitatott drámában. A Tőzsdecápák című filmben Michael Douglas mellett bizonyíthatta tehetségét, ekkoriban még szerény színész hírében állt. 1988-ban együtt játszott bátyjával, Emilio Estevezzel A vadnyugat fiai című filmben. A 80-as évek végére már komoly hírnévre tett szert.
Komikus oldalát 1989-ben A nagy csapat című filmben ismerhette meg a világ. Ezt követte 1991-ben a Nagy durranás, mely óriási népszerűségre tett szert világszerte. A filmmel Charlie Sheen felért karrierje csúcsára. Az egyik legkeresettebb színész volt, és olyan ember hírében állt, aki kimondja, amit gondol, és nincs tekintettel a következményekre. De a fiatal lázadó figurája idővel eltűnt, és élete tragikus fordulatot vett. Menyasszonyát, Kelly Prestont egy vita alkalmával szerencsétlen módon vállon lőtte, és ezt követően egyre elhatalmasodott rajta alkoholizmusa. Többször is volt elvonókúrán, melyek rendre sikertelenül végződtek.
Karrierje stagnált, ezért szerepet vállalt a Nagy durranás 2. - A második pukk (1993) és A nagy csapat 2. (1994) című filmekben, azonban ezekkel már nem tudta megismételni korábbi sikereit; be kellett érnie másodrendű akciófilmek szerepeivel. Viharos élete, a botrányok és az alkohol miatt folyton a bulvárlapok címlapján szerepelt, és az egykor tehetséges színész egyre kevesebb lehetőséget kapott a filmvásznon. 1995-ben összeházasodott Donna Peele modellel, de 14 hónap után házasságuk tönkrement. Újból a címlapokra került, amikor Heidi Fleiss madám ügyében tanúskodott a bíróságon, és bevallotta, hogy több mint 50 000 dollárt költött prostituáltakra. Később újra felkavarta a közvéleményt, amikor nyilvánosan mutatkozott olyan pornósztárok társaságában, mint Ginger Lynn Allen és Brittany Ashland. Utóbbi egy éles vita után bántalmazás vádjával feljelentette Sheent.
1998-ban drogtúladagolással és alkoholmérgezéssel kórházba került, a következő évben egy újabb elvonó után tisztán tért vissza, hogy újra beindítsa karrierjét. A Kerge város (Káoszháza) című sorozatban Michael J. Fox szerepét vette át, mellyel újra szép sikereket ért el. Ezt követően megkapta a Két pasi - meg egy kicsi című széria főszerepét, mely hatalmas népszerűségre tett szert világszerte. Azonban nyolc év után 2011-ben drog- és alkoholproblémái miatt kirúgták. Az FX csatorna 2012-ben lecsapott a munkát kereső színészre, és főszerepet ajánlottak neki a Nyugi, Charlie! című szituációs komédiában. Korábbi sikereit a 2010-es években sem tudta megismételni, a Horrorra akadva 5.-ben (2013) és a Machete gyilkolban (2013) is mellékszereplőként tűnt fel.
Sheennek öt gyermeke van.