Sebastian Koch se narodil v německém Karlsruhe a vyrostl ve Stuttgartu. Jeho matka ho vychovávala sama a nějako dobu strávil v dětském domově, kde pracovala. V letech 1982–1985 studoval herectví na škole Otto Falckenberga v Mnichově a v této době hrál v Divadle mladých (německy Theater der Jugend).

Po působení v městských divadlech v Ulmu a Darmstadtu Sebastian Koch od roku 1990 začal hrát v berlínských divadlech. Ztvárnil role v Schillerových Loupežnících, v Goethově Ifigenie na Tauridě v Dirty Dishes Nicka Whitbyho. Vedle četných filmových a televizních rolí se také často objevoval v malých rolích v populárních německých kriminálních seriálech (např. Wolffův revír).

Od uznávaného ztvárnění Andrease Baadera v dokumentárním dramatu Heinricha Breloera Todesspiel se objevil v mnoha celovečerních televizních inscenacích. V roce 2001 prorazil rolí uneseného Richarda Oetkera (syna průmyslníka Rudolfa Augusta Oetkera) v Der Tanz mit dem Teufel - Die Entführung des Richard Oetker a rolí spisovatele Klause Manna v dokumentárním dramatu Heinricha Breloera Mannovi - román století. Za obě tyto role Koch v následujícím roce získal Cena Adolfa Grimma (Grimme-Preis) a stal se jediným hercem, který ocenění dostal v témže roce za dva rozdílné umělecké počiny. Za titulní roli strůjce atentátu na Hitlera ve filmu Stauffenberg Jo Baiera byl nominován na Německou televizní cenu i cenu Adolfa Grimma a získal cenu Zlatý gong, kterou uděluje mediální časopis Gong.

V roce 2004 se Sebastian Koch potřetí objevil v díle Heinricha Breloera, kdy hrál roli nacistického architekta Alberta Speera v televizním seriálu Speer a Hitler. V roce 2006 mělo v německých kinech premiéru drama Životy těch druhých se Sebastianem Kochem v hlavní roli, které v roce 2007 získalo Oscara za nejlepší cizojazyčný film.

V letech 2006 a 2007 se po dvanáctileté odmlce znovu vrátil na divadelní scénu, a to v divadle města Bochum v roli lorda Goringa ve hře Ideální manžel Oscara Wilda. V roce 2006 ztvárnil roli Reinharda Mohna ve filmové adaptaci jeho života. V roce 2013 se spolu s Julií Snigirovou objevil v roli ruských padouchů ve filmu Smrtonosná past: Opět v akci.

Sebastian Koch žije v Berlíně a má dceru s novinářkou Birgit Kellerovou. Také měl vztah s herečkou Annou Schudtovou, a v letech 2005 až 2009 s nizozemskou herečkou Carice van Houtenovou, s níž se seznámil při natáčení filmu Černá kniha.