Ο Σον Κάρολ γεννήθηκε το 1966 στη Φιλαδέλφεια, στην πολιτεία της Πενσιλβάνια (Η.Π.Α.).
Σπούδασε αστρονομία και αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο Βιλανόβα της Πενσιλβάνια και στη συνέχεια ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στο Κέντρο Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ. Κατόπιν εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στο MIT, και στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Cavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα. Στη συνέχεια εργάστηκε ως ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του Ινστιτούτου Ενρίκο Φέρμι στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου. Από το 2006 έως το 2021 διετέλεσε καθηγητής πρώτης βαθμίδας στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Walter Burke του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech), και μέχρι σήμερα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς στη Βαλτιμόρη των Η.Π.Α. ως καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας Homewood, καθώς και στο ανεξάρτητο μη κερδοσκοπικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Έρευνας Σάντα Φε στο Νέο Μεξικό των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής.
Γενικώς, ανεξάρτητα από τα ιδρύματα στα οποία δραστηριοποιείται, ο Σον Κάρολ ασχολείται με θέματα που έχουν να κάνουν με την κοσμολογία, τη θεωρία πεδίων, και τη βαρύτητα, εστιάζοντας κυρίως στη σκοτεινή υλη και τη σκοτεινή ενέργεια, την τροποποιημένη βαρύτητα, τις τοπολογικές ατέλειες, τις επιπλέον διαστάσεις και την παραβίαση θεμελιωδών συμμετριών. Τα τελευταία χρόνια, μέσα από την έρευνά του, επιχειρεί να απαντήσει σε ερωτήματα θεμελιώδη που αφορούν τόσο την κβαντική μηχανική (προέλευση της πιθανότητας, ανάδυση του χώρου και του χρόνου) όσο και τη στατιστική μηχανική (εντροπία και το βέλος του χρόνου, ανάδυση και αιτιότητα, δυναμική της πολυπλοκότητας), δίνοντας μια ιδιαίτερη φιλοσοφική χροιά στο έργο του.
Επίσης, δραστηριοποιείται έντονα στην επικοινωνία της επιστήμης, είναι οικοδεσπότης του podcast Mindscape και φημίζεται ως διακεκριμένος συγγραφέας πολλών βιβλίων εκλαϊκευμένης επιστήμης.
Έχει τιμηθεί με πλήθος βραβείων και υποτροφιών από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, τη NASA, το Αμερικανικό Ινστιτούτο Φυσικής, το Ίδρυμα Sloan, το Ίδρυμα Packard, την Αμερικανική Ένωση για την Προαγωγή της Επιστήμης, το Ίδρυμα Guggenheim και τη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου.
Κάνει δημόσιες διαλέξεις σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια και τη φύση του χρόνου, εμφανίζεται σε τηλεοπτικές εκπομπές για επιστημονικά θέματα (συχνά με τον Μόργκαν Φρίμαν) και, παράλληλα, δίνει απλόχερα επιστημονικές συμβουλές σε παραγωγούς κινηματογραφικών ταινιών και επιστημονικών ντοκιμαντέρ.
Ζει στο Λος Άντζελες με τη σύζυγό του.