Nació en el pueblo valenciano de Benifayó y aún niño se trasladó a Portugal con sus padres. Su juventud transcurrió en la corte de Juan II y dio tan buenas muestras de su talento pictórico que fue enviado a Flandes a perfeccionarse en el taller del mejor retratista de su tiempo, Antonio Moro. Con él trabajó hasta 1550 en que retornó a Lisboa, donde sirvió en la corte como pintor del rey. En 1555 pasó a servir a Felipe II de España por recomendación de la viuda de Juan III, hermana del monarca español. Sánchez Coello se instaló definitivamanente en España. Trasladó su estudio y vivienda a la casa del Tesoro, soldada al Alcázar madrileño, que acogería cien años después el estudio de Velázquez.

A la muerte de Tiziano, se convirtió en el pintor predilecto del monarca, que se sentía unido al artista no sólo por lazos de admiración, sino también por una sólida amistad, que le convirtió en padrino de una de las hijas del pintor.

Falleció en Madrid en el año 1588.