Sepúlveda kalandos körülmények között született 1949-ben a chilei Ovalle egy szállójában, miután apja, a Chilei Kommunista Párt tagja, egy emigráns andalúz anarchista fia megszöktette az akkor még kiskorú, mapuche indián anyját. Tizenöt évesen belépett a chilei kommunista ifjúsági szervezetbe, majd a Szocialista Párt tagja lett, szimpatizált a bolíviai ELN baloldali gerillamozgalom chilei szárnyával. Íróként is fiatalon indult: tizenhét évesen publikálta első verses-, húsz évesen pedig első novelláskötetét (Crónicas de Pedro Nadie, „Senki Péter krónikái”). Irodalmi ihletője, Francisco Coloane hatására került testközelbe a természettel: beállt kuktának egy bálnavadász hajóra.

Testőrként szolgált Salvador Allende mellett. A Pinochet-diktatúrában huszonnyolc év börtönre ítélték, amit az Amnesty International közbenjárására nyolc év száműzetésre változtattak. 1977-ben elhagyta a hazáját – és megnyílt előtte a világ. A magát „kőkorszaki marxistának” nevező író a száműzetését ironikusan Pinochet-ösztöndíjként emlegette. Rövidebb-hosszabb ideig több latin-amerikai országban élt – többek között Ecuadorban, ahol hét hónapot töltött az őserdei shuar (jíbaro) indiánok között –, részt vett a nicaraguai sandinista felkelésben. Innen Hamburgba vitte az útja, ahol több mint tíz évet töltött. Volt teherautósofőr a Hamburg–-Isztambul vonalon, a Der Spiegel tudósítója, miközben sorra írta elbeszéléseit, és bekapcsolódott a nemzetközi környezetvédelembe is: 1982–-87 között a Greenpeace aktivistájaként bejárta a világ tengereit. 1997 óta az asztúriai Gijónban élt.

A Nombre de torero („Torreádor-név”) című, 1984-ben írt regényében Juan Belmonte, Allende testőrének alakjában megalkotta saját alteregóját, aki egyik utolsó regényében, az El fin de la historiában („A történet vége”) is visszatér. Ez utóbbi krimi vitairat a politikai hatalom, a diktatúra visszásságai ellen. A regény főhősnőjét, a hírhedt Villa Grimaldiban megkínzott Sonia alakját eszme- és házastársáról, Carmen Yáñezről mintázta, akivel regénybe illő kapcsolata volt: első fia, Carlos Lenin (!) születése után különváltak, hogy aztán húsz év szünet után, Németországban találjanak újra egymásra.

Sepúlveda nemzetközi sikerét az 1989-ben publikált Un viejo que leía novelas de amor (magyarul: Egy öreg, aki szerelmes regényeket olvasott. Európa, 1999, Tomcsányi Zsuzsa fordítása) című kisregénye hozta meg, amelyet a brazil esőerdő-aktivista Chico Mendesnek ajánlott. Cselekménye saját ecuadori élményeire épül. A világtól elvonult regénybeli öreg, az őserdei „öreg halász” az amazonasi shuar indiánok között találja meg az ember és a természet tökéletes összhangját. Az idilli világ összeomlását, az amazonasi őserdők gyarmatosítását azonban előrevetíti az aranymosók, fakitermelők, a gátlástalan földfoglalók és a korrupt helyi politikusok térnyerése. A tragikus véget az öreg Antonio és a fiatal leopárd párharca szimbolizálja. A történetet 1999-ben a chilei Miguel Littín, 2001-ben az ausztrál Rolf de Heer vitte filmvászonra.

A nagy utazó Sepúlveda elkötelezett védelmezője volt az autochton kultúráknak és a természeti környezetnek, melyek visszatérő toposzként jelennek meg gyerekeknek és felnőtteknek írott történeteiben. A hamburgi kikötő kövér fekete macskája és az olajfoltba pottyant sirályfióka közötti varázslatos barátságot mutatja be a gyerekeknek írott Historia de una gaviota y del gato que le enseñó a volar (Barcelona, 1996; magyarul: A sasfióka esete a macskával, aki megtanította repülni. Európa, 2000, Magyarósi Gizella fordítása) című meséje.

Sajnos az élet nem volt vele ilyen szeretetteljes: idén február 29-én egy portugáliai irodalmi fesztiválról hazatérve Asturiasban elsőként nála és feleségénél diagnosztizálták a koronavírus fertőzést. Beszállították az oviedói kórházba, ahol az intenzív osztályon azonnal lélegeztető gépre került, és csaknem másfél hónapos kómás állapot után, 2020. április 16-án hunyt el.