Nato e cresciuto a Saint Louis, Missouri, Sean Gunn nasce in una famiglia cattolica irlandese con altri quattro fratelli ed una sorella. È il fratello minore di James Gunn e di Patrick Gunn.
Sean frequenta la Roman Catholic St. Louis University High School, si diploma nel 1992 e si iscrive alla Goodman School of Drama at DePaul University. Dopo essersi laureato entra a far parte di una compagnia teatrale con alcuni amici.
Nel 2000 Sean recita nel primissimo episodio del telefilm nel ruolo di Mick. Il primo episodio andò così bene che Sean viene scritturato per interpretare il ruolo di Kirk Gleason nel telefilm Una mamma per amica, uno dei più eccentrici abitanti di Stars Hollow. Dal 2002 Sean è un membro regolare del cast.
Nel 2003 Gunn è il protagonista della featurette The Man Who Invented the Moon, diretto da John Cabrera, suo compagno di scuola alla Goodman School Drama e attore nella serie televisiva Una mamma per amica. Sean e John sono stati stretti colleghi artistici fin dai tempi scolastici a Chicago negli anni novanta.
Nel 2012 partecipa alla terza puntata della quarta serie di Glee.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Sean Gunn è stato doppiato da:
Carlo Scipioni in Una mamma per amica, Guardiani della Galassia, Guardiani della Galassia Vol. 2, Thor: Love and Thunder, The Terminal List, Guardiani della Galassia Holiday Special, Guardiani della Galassia Vol. 3
