In 1515 trad hij toe tot orde der Dominicanen en op 27 september maakte hij zijn entree in het College van San Clemente in Bologna, een van de belangrijkste academische instellingen. Hier studeerde hij tussen 1515 en 1523 theologie. Zijn mentor in deze jaren was Pietro Pomponazzi, bij wie hij de filosofie van Aristoteles begon te bestuderen. Onder de indruk van zijn werk stelde Guilio de' Medici (de latere paus Clemens VII) hem voor om de werken van Aristoteles in het Latijn te vertalen. Sepúlveda schiep vervolgens relaties en vriendschappen met mensen zoals kardinaal Ercole Gonzaga, Gaetano dei Conti di Tiene en Alberto Pio, de prins van Carpi. Op 23 juni 1523 verliet hij Bologna en verbleef de daarop volgende 3 jaar afwisselend in Rome en Milaan, waar hij samenwerkte met Marco Musuro. Na de plundering van Rome in 1527 zocht Sepúlveda zijn toevlucht in Napels en Gaeta. Hij werd medewerker van kardinaal Francis Quiñones en fungeerde als intermediair tussen de Italianen en Karel V, die in 1530 in Bologna door paus Clemens VII tot keizer werd gekroond. In 1534 kreeg Sepúlveda de opdracht van de paus om een ethische vertaling van de werken van Aristoteles te vervaardigen. Na de dood van paus Clemens VII in 1537 verliet Sepúlveda Rome en werd kapelaan en kroniekschrijver van Karel V. Sepúlveda overleed in 1573 in zijn geboorteplaats Pozoblanco.