Né en 1970 à Brighton, dans le sud-est de l'Angleterre, Sean Ellis développe dès l'enfance un lien fort avec la photographie. En 1994, il s'installe à Londres pour devenir photographe de mode, travaillant pour des magazines prestigieux comme The Face ou Vogue, avant de réaliser des spots publicitaires pour des marques telles que Jean-Paul Gaultier ou Nike, ainsi que des clips musicaux. Il passe à la réalisation de fiction avec le court métrage Left Turn en 2001, puis avec Cashback en 2004, court métrage nommé à l'Oscar du meilleur court métrage en prises de vue réelles, qu'il développe ensuite en long métrage sorti en 2006. Il tourne en 2013 Metro Manila, drame social tourné en tagalog aux Philippines, qui remporte trois récompenses aux British Independent Film Awards, dont celle du meilleur réalisateur. En 2015, il se rend à Prague pour tourner Opération Anthropoid, film de guerre consacré à l'assassinat du dignitaire nazi Reinhard Heydrich, porté par Cillian Murphy et Jamie Dornan. Il poursuit avec le film d'horreur The Cursed en 2021 et L'Ultime Round en 2025.
Sa formation de photographe de mode, acquise pendant près d'une décennie à Londres, façonne durablement son sens de l'image et de la composition, qu'il met lui-même en pratique en assurant souvent la direction de la photographie de ses propres films. Son intérêt pour les récits historiques méconnus, comme l'opération Anthropoid contre Reinhard Heydrich, traduit un goût pour les sujets exigeants portés par une reconstitution rigoureuse. La perte de son chien, morte d'un lymphome canin, l'amène également à publier en 2011 un livre de photographies intitulé Kubrick the Dog, révélateur de sa sensibilité personnelle.
Sean Ellis se distingue par une esthétique visuelle très soignée, héritée de sa formation de photographe, qu'il met directement en pratique en assurant lui-même la direction de la photographie de plusieurs de ses films. Il navigue avec aisance entre comédie romantique décalée, drame social réaliste et grand film de guerre, tout en conservant une exigence formelle constante. Son tournage de Metro Manila, réalisé en immersion aux Philippines dans la langue locale, illustre son goût pour une approche quasi documentaire de sujets sociaux exigeants.
Cashback, son court métrage de 2004, est nommé à l'Oscar du meilleur court métrage en prises de vue réelles en 2006. Metro Manila remporte en 2013 trois récompenses aux British Independent Film Awards, dont celles du meilleur film indépendant britannique et du meilleur réalisateur.
Il assure lui-même la direction de la photographie de plusieurs de ses films, dont Opération Anthropoid et Cashback, une double casquette rare qui témoigne de son passé de photographe professionnel. Il collabore avec le scénariste Anthony Frewin, ancien assistant de Stanley Kubrick, pour l'écriture d'Opération Anthropoid. Les acteurs Cillian Murphy et Jamie Dornan forment le duo principal de ce même film.
Le regard esthétique et photographique sur le monde, hérité de sa carrière de photographe de mode, imprègne l'ensemble de sa filmographie, quel que soit le genre abordé. Les récits historiques méconnus, notamment ceux liés à la Seconde Guerre mondiale et à la résistance, occupent une place importante dans son travail le plus récent, comme Opération Anthropoid. La solitude et l'aliénation urbaine, explorées à travers des personnages en marge, reviennent également dans des films comme Cashback ou Metro Manila.