În film, Sheen a câștigat premiul pentru Cel Mai Bun Actor la Festivalul Internațional de Film de la San Sebastián pentru interpretarea sa ca Kit Carruthers în Badlands. Interpretarea lui Sheen ca Cpt. Willard în Apocalypse Now i-a adus o nominalizare la premiul BAFTA pentru Cel Mai Bun Actor.
Sheen a colaborat cu o varietate largă de regizori de film, inclusiv Richard Attenborough, Francis Ford Coppola, Terrence Malick, David Cronenberg, Mike Nichols, Martin Scorsese, Steven Spielberg și Oliver Stone. Sheen a primit o stea pe Walk of Fame de la Hollywood în 1989. În televiziune, Sheen a câștigat un Glob de Aur și două premii ale Gildelor Actorilor pentru interpretarea rolului președintelui Josiah Bartlet în The West Wing, și un Emmy pentru apariția sa ca invitat în sitcomul Murphy Brown. În 2012, l-a interpretat pe Uncle Ben în The Amazing Spider-Man regizat de Marc Webb.
Născut și crescut în Statele Unite de un tată spaniol și o mamă irlandeză, a adoptat numele de scenă Martin Sheen pentru a-l ajuta să obțină roluri de actorie. Este tatăl a patru copii, toți fiind actori.
Sheen a regizat un film, Cadence (1990), în care apare alături de fiii săi Charlie și Ramón. A narat, produs și regizat televiziune documentară, câștigând două premii Daytime Emmy în anii '80, și a fost activ în politica liberală.