Sheldon ist theoretischer Physiker. Er ist wie Leonard hochbegabt (sein IQ wird mit 187 angegeben) und versuchte bereits als Kind, komplexe Geräte wie ein Röntgengerät und im Alter von dreizehn Jahren einen Kernreaktor zu bauen, scheiterte jedoch an der Beschaffung von spaltbarem Material über das Internet. In der Schule übersprang er einige Klassen, wodurch er das College an der University of Texas in Austin bereits im Alter von 14 Jahren mit der Zensur Magna cum laude abschließen konnte. Im Alter von 15 Jahren erhielt Sheldon eine Gastdozentur an der Universität Heidelberg und erlangte schon mit 16 Jahren seinen ersten Doktortitel (Ph.D.) für eine Arbeit an der Twistor-Theorie. Für seine zweite Doktorarbeit als Sc.D. benötigte er vier Jahre. Nach Abschluss seiner wissenschaftlichen Ausbildung zog Sheldon nach Pasadena und arbeitet seitdem am California Institute of Technology als theoretischer Physiker. Zu Beginn der Handlung der Fernsehserie arbeitet er bereits seit dreieinhalb Jahren in diesem Arbeitsplatz.

Sheldon ist im Umgang mit anderen Menschen sehr unbeholfen und lernt erst im Verlauf der Serie Witze zu verstehen und Sarkasmus zu erkennen oder selbst zu verwenden. Er wirkt oft arrogant und überheblich und fühlt sich den meisten anderen Menschen gegenüber intellektuell überlegen, was er auch deutlich zeigt. Sheldon hat wie Leonard ein ausgeprägtes Interesse an Videospielen und Science-Fiction und ist großer Fan der Comicserien The Flash und Green Lantern, weshalb er oft deren Fanshirts trägt. Zudem bewundert er Mr. Spock. Sheldon ist ein Pedant und hält oft zwanghaft an Gewohnheiten, Schemata und selbstaufgestellten Regeln unter allen Umständen fest. Beispielsweise hat er in der Wohngemeinschaft einen festen Sitzplatz, den er stets für sich beansprucht. Klopft er bei jemandem an die Tür, so erfolgt dies auch nach einem festen Schema: Er klopft dreimal kurz nacheinander, ruft dann den Namen der Person, und wiederholt diesen Vorgang in der Regel noch zweimal. Seine Freizeit teilt er sich überwiegend nach einem festen Zeitplan ein, beispielsweise isst er jeden Dienstag Abend in der Cheesecake Factory, in der Penny als Bedienung arbeitet, jeden Mittwoch Abend spielt er mit den anderen das Videospiel Halo und jeden Samstag ist Waschtag.

Außerdem ist er Spieler der Online-Rollenspiele World of Warcraft sowie von Age of Conan, wo seine Spielfigur Sheldor der Eroberer (Sheldor the Conqueror) heißt.

Auch existiert ein sehr umfangreicher WG-Vertrag, den Sheldon mit Leonard abgeschlossen hat, als dieser in die Wohnung einzog und auf den er sich im Laufe der Serie häufig beruft, wenn dessen sehr detaillierte Regeln verletzt werden. Charakteristisch für Sheldon ist zudem seine Unfähigkeit zu lügen. Versucht er es dennoch, zeigt er auffälliges Verhalten wie beispielsweise übersteigerte Nervosität. Eine weitere Eigenart ist sein Ausruf „Bazinga!“ (frei übersetzt: „Reingefallen!“), mit dem er verdeutlicht, dass er gerade einen Scherz gemacht hat.

Im Verlauf der vierten Staffel entwickelt Sheldon eine Beziehung zu Amy Farrah Fowler, die er am Ende der dritten Staffel dank Raj und Howard über eine Dating-Internetseite kennengelernt hat. Amy, selbst hochintelligent und Neurobiologin, zeigt zunehmend sexuelles Interesse (sowohl an Sheldon als auch an Penny), worauf Sheldon bis auf weiteres jedoch nicht eingeht, obgleich er sich andererseits zunehmend eifersüchtig zeigt. In der zehnten Folge der fünften Staffel werden Amy und Sheldon schließlich ein Paar, beginnen eine platonische Beziehung und schließen eine Beziehungsvereinbarung.

Im Gegensatz zu Leonard, der aus einer Akademikerfamilie kommt, ist Sheldon der einzige Wissenschaftler in seiner Familie. Er wuchs in Osttexas auf, ist Halbwaise und wurde sehr konservativ und christlich-fundamentalistisch erzogen, ist selbst aber nicht religiös. Seine Mutter Mary, eine wiedergeborene Christin, kümmert sich auch noch um ihren erwachsenen Sohn und hat mehrere Auftritte in der Serie. Leonard beneidet Sheldon um dieses familiäre Umfeld, da seine eigene Mutter ihm kaum Beachtung schenkt und im Verhalten Sheldon sehr ähnelt. Sheldons Zwillingsschwester Missy, die in ihrem Verhalten keine Ähnlichkeit mit ihm aufweist, hat ebenfalls einen Auftritt in der Serie. Sheldon hat ein inniges Verhältnis zu seiner Großmutter (von ihm stets „Meemaw“ genannt). Im Gegenzug wird er von seiner Großmutter „Moonpie“ genannt, u.a. in Briefen. Wenn Sheldon krank war, sang ihm seine Mutter das Katzentanzlied vor. In der Fernsehserie fordert Sheldon Penny auf, es ihm vorsingen, wenn er krank ist. In der deutschen Synchronisation wird eine Umarbeitung eines Kinderliedtextes von Fredrik Vahle verwendet.