Geboren 1962 in Karlsruhe verbrachte Sebastian Koch seine Kindheit und Jugend in Stuttgart. Seine Mutter zog ihn alleine groß und zeitweise lebte er im gleichen Kinderheim, in dem sie arbeitete. Ursprünglich wollte er Musiker werden, aber eine Peymann-Inszenierung in den späten 1970ern in Stuttgart brachte ihn der Schauspielerei näher.
Er absolvierte seine Ausbildung von 1982 bis 1985 an der Otto-Falckenberg-Schule in München. Nach ersten Auftritten am dortigen Theater der Jugend folgten Engagements an den Städtischen Bühnen Ulm, dem Staatstheater Darmstadt und den Staatlichen Bühnen Berlin. 1986 kam der erste Fernsehauftritt an der Seite von Kommissar Helmut Fischer in dem "Tatort - Die Macht des Schicksals".

Zahlreiche Krimis und Thriller folgten, bis er 1997 als Andreas Baader in Heinrich Breloers Zweiteiler "Todesspiel" für Aufsehen sorgte. Als erstem Schauspieler überhaupt wurde Sebastian Koch 2002 zwei Mal innerhalb eines Jahres mit dem Grimme-Preis ausgezeichnet: Für die Titelrolle in "Der Tanz mit dem Teufel - Die Entführung des Richard Oetker" und für seine Schauspielleistung in der Familiengeschichte "Die Manns". Die Rolle des Klaus Mann brachte ihm auch den Bayerischen Fernsehpreis ein.
Auch international gelang Sebastian Koch der Durchbruch: In dem Historiendrama "Napoleon" spielte er an der Seite prominenter Kollegen wie Gérard Depardieu, John Malkovich und Isabella Rossellini, in "Marie und Freud" war er der jugendliche Liebhaber von Catherine Deneuve. 2007 wurde Sebastian Koch von der italienischen Auslandspresse für seine Verkörperung des Dramatikers Georg Dreyman in Florian Henckel von Donnersmarcks Oscar-gekrönten Stasi-Drama "Das Leben der Anderen" als bester europäischer Schauspieler mit dem Globo d´Oro ausgezeichnet. Im Kino war er 2009 in der erfolgreichen Theodor-Fontane-Verfilmung "Effi Briest" in einer Hauptrolle zu sehen.

Neben seiner Arbeit für Kino und Fernsehen ist Sebastian Koch auch ein gefragter Interpret literarischer und musikalisch-literarischer Hörbücher und entsprechender Live Performances dieser Produktionen. Und auch am Theater setzte er 2006 nach langer Bühnenabstinenz wieder neue Akzente: Am Schauspielhaus Bochum feierte er als Lord Goring in Oscar Wildes "Ein idealer Gatte" unter der Regie von Armin Holz einen Kritiker- und Publikumserfolg. Im November 2009 spielt Koch in einer internationalen TV-Produktion als Wolf Larsen in "Der Seewolf" nach Jack London die Hauptrolle.
Sebastian Koch lebt in Berlin und hat eine Tochter aus einer früheren Beziehung zu einer Journalistin.