Interpretó papeles en las series Two and a Half Men y Spin City. Más tarde protagonizó la comedia de FX Anger Management, obteniendo el honor de ser el actor de televisión mejor pagado.
Fue el lanzador en el equipo de béisbol de su escuela secundaria Santa Monica High School.
En uno de sus más famosos papeles cinematográficos interpretó a Bud Fox en la película de Oliver Stone de 1987 Wall Street. Hizo un cameo en la sequela de esta en el 2010.
Nació como Carlos Estevez y adoptó el apellido artístico "Sheen" de su padre Martin Sheen. Estuvo casado y tuvo dos hijas con Denise Richards pero la pareja se divorció en el 2006. Más tarde se casó y tuvo mellizos con Brooke Mueller. Se divorciaron en el 2011. Su hermano Emilio también es actor. En el 2011 salió con la actriz de cine para adultos Bree Olson.
Protagonizó Two and a Half Men junto a Jon Cryer y Angus T. Jones. Posteriormente fue reemplazado en el show por Ashton Kutcher.
