Protagonista di molti film western e noir, è ricordato in particolare per le sue interpretazioni del pistolero Johnny Guitar nell'omonimo film (1954), del bandito Johnny Clay in Rapina a mano armata (1956), del generale Jack D. Ripper ne Il dottor Stranamore (1964) e del Capitano McCluskey, il poliziotto irlandese che viene ucciso da Al Pacino ne Il padrino (1972), primo capitolo della saga. Ha inoltre interpretato il ruolo di Leo Dalcò in Novecento, film del 1976 diretto da Bernardo Bertolucci. Nacque nel New Jersey da George e Frances Walter. Alla morte del padre, a 9 anni, venne adottato da James Hayden e crebbe spostandosi tra New Hampshire, Massachussets, Pennsylvania, Washington D.C. e infine Maine, dove completò gli studi. Nella vita è stato un avventuriero e un uomo d'azione, non troppo dissimile dal cliché di personaggi che spesso interpretò come attore. A 17 anni si imbarcò come mozzo, fece poi il pescatore a Terranova, quindi lavorò in grandi navi da pesca anche come pompiere e, a 19 anni, era già Capitano su imbarcazioni che facevano il giro del mondo. Più tardi intraprese il lavoro di modello e venne notato dalla Paramount, che lo scritturò dapprima come controfigura e poi per girare due film che gli permisero di conoscere l'attrice Madeleine Carroll, della quale si innamorò e che poi sposò. Si era in piena seconda guerra mondiale e Hayden prese servizio nel C.O. I. (Coordinator of Information) e vi rimase anche quando si trasformò nell'O.S.S. (Office of Strategic Service), organismo di intelligence, padre dell'attuale C.I.A., ma con finalità esclusivamente mirate alle azioni di guerra. Prestò servizio anche nei Marines e fu molto attivo sul fronte jugoslavo sfondando le linee tedesche e paracadutandosi in aiuto dei patrioti croati, tanto da meritarsi la "Stella d'argento" dalle forze armate americane ed un particolare riconoscimento dal Maresciallo Tito, leader jugoslavo.  Quando venne istituito il Commissione per le attività antiamericane, allo scopo di smascherare gli aderenti al Partito Comunista e metterli alla berlina, Hayden aderì ad un gruppo di star hollywoodiane comprendente tra gli altri John Huston, Humphrey Bogart e Lauren Bacall, che giurarono di non essere comunisti ma che si opposero fermamente allo strumento della delazione e alla persecuzione verso artisti che avessero fatto parte del Partito Comunista. Di fatto, però, Hayden si autodenunciò segretamente e fece dei nomi. Anche se, secondo la sua ex moglie Betty De Noon, fece solo nomi già in possesso della Commissione, la decisione dell'attore fu tormentata, tanto che, come egli stesso dichiarò nella sua autobiografia intitolata "Wanderer" (trad. Vagabondo), "Non avete la più pallida idea del disprezzo che ho avuto per me stesso il giorno che feci quella cosa". E quando la circostanza divenne di pubblico dominio, si sentirono traditi sia i suoi vecchi compagni comunisti sia i suoi colleghi contrari alla delazione. Sterling Hayden disse più volte di non provare nessuna passione per la professione di attore, ma di considerarla più che altro un mezzo per poter guadagnare soldi per vivere e per finanziare i suoi viaggi. Nel 1959, dopo un amaro divorzio, che tra l'altro lo limitava nella possibilità di vedere i propri figli, prese con sé tutti e quattro i suoi bambini e partì per Tahiti, sfidando le decisioni del Tribunale. Nel 1960 si sposò per la quinta volta (ma tre precedenti matrimoni, e altrettanti divorzi, furono sempre con Betty De Noon, con la quale ebbe un rapporto turbolento) con quella che fu poi la sua compagna fino alla fine e che gli diede altri due figli, Catherine Devine McConnell. Ritornò in auge nei primi anni settanta grazie ad una parte ne Il padrino (1972) e in seguito ebbe un momento di popolarità anche grazie alla partecipazione a un seguitissimo show televisivo della NBC, nel quale ebbe modo di raccontare tutte le sue disavventure. Disavventure che non erano ancora finite, se è vero che nel 1975 dovette rinunciare alla parte di protagonista ne Lo squalo perché si trovava all'estero per sfuggire al fisco americano. Un periodo di "soggiorno forzato" in Europa che gli permise, tra l'altro, di prendere parte a Novecento (1976), il grande affresco di Bernardo Bertolucci. Nel 1976 pubblicò il suo secondo libro (il primo fu l'autobiografia Wanderer del 1963), un romanzo storico intitolato Voyage: A Novel of 1896, che ebbe un discreto successo. Nel 1986, tre giorni prima del suo 70º compleanno, morì nella sua casa di Sausalito, in California, a seguito di un cancro alla prostata.