Dès son plus jeune âge, Charlie Sheen porte un intérêt particulier pour le cinéma, voulant marcher sur les traces de son célèbre père, il obtient son premier rôle en 1974 dans un téléfilm The Execution of Private Slovik. Continuant à suivre son père, Charlie le voit avoir une crise cardiaque sur le tournage d'Apocalypse Now (1979).
Charlie étudie à l'école de Santa Monica où il est un élève médiocre mais très doué au baseball. Ses qualités de sportif ne l'aident pas en cours et il doit travailler dur pour remonter ses notes. Il y rencontre deux de ses amis : l'acteur Sean Penn et Rob Lowe, avec lesquels il tournera des films amateurs.
Après la fin de ses études, Charlie joue dans plusieurs films à petit succès comme L'Aube rouge et dans des séries B.
C'est en 1986 qu'il rencontre le succès grâce à Oliver Stone qui le fait tourner dans le film Platoon. Sa prestation remarquée d'un jeune soldat américain dans le film lui donne l'occasion de jouer dans le film suivant d'Oliver Stone,
Wall Street (1987), où il donne la réplique à son père et à Michael Douglas.
Deux années s'écoulent lorsqu'en 1989 Oliver Stone approche Sheen pour le rôle principal du film Né un 4 juillet, mais au dernier moment Stone lui préfère Tom Cruise. Son échec avec Stone ne l'empêche pas de rester au top du box-office avec plusieurs succès comme Young Guns (1988), Les Indians (1989) et Hot Shots! (1991).
Alors que toute sa carrière s'annonce toute tracée, Sheen va rencontrer des problèmes avec la drogue. Il gagne une réputation d'homme à femmes et fait plusieurs conquêtes avec lesquelles il rencontre beaucoup de problèmes. Durant cette mauvaise période il tourne deux films à petits succès The Arrival (1996) et Haute trahison (1997).
Après une cure de désintoxication, Charlie Sheen reprend le droit chemin. Il est engagé pour remplacer Michael J. Fox souffrant de la maladie de Parkinson dans la série Spin City (2000). Sa performance dans la peau de l'adjoint au maire de New York est remarquée par les patrons de la chaîne CBS qui lui proposent la série Mon oncle Charlie dans laquelle il joue le rôle d'un compositeur de musique ayant fait fortune en vendant des jingles commerciaux. Il touche alors 875 000 dollars par épisode, ce qui fait de lui l'acteur de série le mieux payé au monde. En 2010, il décide de faire pression sur CBS et gagne à présent 1 250 000 dollars par épisode de 21 minutes, bénéficiant ainsi du plus gros salaire de l'histoire sur une série télévisée.
Charlie eut d'abord plusieurs conquêtes avant de rencontrer Denise Richards en 2001 sur le plateau du film the Good Advice. Ils se marient en 2002 et de cette relation naissent deux enfants : Sam Katherine (9 mars 2004) et Lola Rose (1er juin 2005). Bien que le couple semble heureux, Denise Richards demande le divorce en 2005.
Il a aussi une autre fille, Cassandra Estevez, née d'une union libre avec Paula Profit en 1985.
Il est marié à Brooke Mueller depuis le 30 mai 2008, avec qui il a eu des jumeaux, Bob et Max, nés le 14 mars 2009.
Le 26 décembre 2009, il est arrêté à Aspen, station de ski huppée du Colorado (ouest), pour violences conjugales contre son épouse Brooke Mueller. Libéré après avoir versé une caution de 8 500 dollars, il a été cité à comparaître devant un juge le 8 février 2010 au tribunal du comté de Pitkin.
Dans la nuit du lundi 25 octobre 2010, les autorités de police ont retrouvé l'acteur nu et ivre mort dans sa chambre d'hôtel en compagnie d'une call-girl, la police n'aurait trouvé aucun produit lié a une drogue. Un peu plus tôt, l'acteur accompagné d'amis ainsi que Denise Richards, aurait bu une quantité importante de vodka et de vin rouge prestigieux le tout sous cocaïne.
Charlie Sheen a déclaré qu'il se sent mieux et en parfaite santé, prêt a reprendre les plateaux de tournage. Le 1er Novembre 2010, la cour de Los Angeles confirme avoir reçu la demande officielle de divorce entre Charlie Sheen et Brooke Mueller. Ils vivaient séparés depuis plusieurs mois.