Sebastian Stan naît à Constanța dans l'est de la Roumanie. Ses parents divorcent lorsqu’il a deux ans. À l'âge de huit ans, à cause de la révolution roumaine, Stan et sa mère, Georgeta Orlovschi, déménagent à Vienne en Autriche où elle est employée en tant que pianiste. Quatre ans plus tard, ils partent pour New York après que sa mère a épousé Anthony Fruhauf, le directeur de l'école privée , où Stan a étudié.