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Il est le fils de George et Frances Walter qui lui donnent pour nom Sterling Relyea Walter. A la suite de la mort de son père il est adopté à l'âge de 9 ans par James Hayden qui le rebaptise Sterling Walter Hayden.
L'Office of Strategic Services, ancêtre de la CIA, utilisait un vaste réseau d'agents secrets pendant la Seconde Guerre mondiale. Les Archives nationales américaines révèlent en 2008 des noms surprenants comme celui de Sterling Hayden, qui avait combattu aux côtés des partisans de Tito en Yougoslavie.
Il fut aussi amené à témoigner devant l'HUAC (House Un-American Activities Committee, l'organe du maccarthysme) qui l'interrogea principalement sur sa brève adhésion au Parti Communiste américain en 1945. Bien qu'affirmant ne se souvenir que du prénom de ses « camarades », il ne peut se dérober lorsqu'il s'agit d'admettre y avoir rencontré quelques personnes comme notamment Abraham Polonsky. Il fut inscrit sur la liste noire du cinéma. D'après John Berry, interviewé par Bertrand Tavernier, il comprend rapidement son erreur et va se poster devant la commission, brandissant une pancarte sur laquelle était écrit « Ne dites rien, ils sont ignobles ». En 2008, son rôle en Yougoslavie auprès des combattants de Tito est évoqué dans le roman noir de Roger MartinJusqu'à ce que mort s'ensuive (Le Cherche midi, puis Pocket en 2013).
Il est l'auteur de deux ouvrages. Le premier, Wanderer, où, notamment, il revient sur la période de la "chasse aux sorcières", et exprime les terribles remords qui le rongent depuis lors. L'autre, Voyage, roman maritime sur fond de politique de presque 800 pages, où il livre, entre autres, sa conception du déclin du rêve américain, à la suite de la défaite de l'alliance populo-démocrate à l'élection présidentielle américaine de 1896.