Sebastian Stan è cresciuto a Costanza, in Romania, fino all'età di 8 anni. I suoi genitori divorziarono e, subito dopo la Rivoluzione romena del 1989, lui e sua madre si trasferiscono a Vienna, dove quest'ultima lavorava come pianista. Quattro anni più tardi si trasferisce nella Contea di Rockland, nello stato di New York, dove la madre si sposa con Anthony Fruhauf, preside di una scuola locale. Durante questi anni scolastici, Stan ha recitato in spettacoli come "Harvey", "Cyrano de Bergerac", "Little Shop of Horrors", "Over Here!" e "West Side Story".