Formé à l'École du Théâtre national de Strasbourg entre 2004 et 2007, Sébastien Pouderoux y croise plusieurs metteurs en scène dont Christophe Rauck ou Alain Françon. Sébastien Pouderoux joue ensuite sous la direction de Stéphane Braunschweig, Daniel Jeanneteau et Marie-Christine Soma, et Laurent Laffargue. Puis Christophe Honoré lui confie un rôle dans son adaptation d'Angelo, tyran de Padoue d'après Victor Hugo, présentée en 2009 au Festival d'Avignon, puis le dirige dans son film Homme au bain. Ils se retrouvent à Avignon en 2011 pour la création de Nouveau roman. Avec deux camarades de sa promotion, Marie Rémond et Clément Bresson, il écrit et joue André, basé sur la biographie d'André Agassi et créé à Lausanne en 2011. Le trio récidive avec un autre spectacle, Vers Wanda. 

Il entre à la Comédie-Française en 2012. Il devient le 535e sociétaire de la Troupe le 1er janvier 2019. 

Depuis Il a travaillé entre autres avec Clément Hervieu-Léger, Lilo Baur, Muriel Mayette-Holtz, Jacques Vincey, Denis Podalydès, Denis Marteau, Dan Jemmett, tvo van Hove, Anne Kessler, Pauline Bayle, Julie Deliquet et Thomas Ostermeier. En 2015, il cosigne, avec Marie Rémond, la mise en scène de Comme une pierre qui... d'après Greil Marcus, où Il incarne le personnage de Bob Dylan. 

En 2019 il monte avec Stéphane Varupenne, Les Serge (Gainsbourg point barre) au Studio-Théâtre puis Les Précieuses Ridicules de Molière en 2022, au Vieux Colombier. 

En 2024, Il écrit et met en scène avec Constance Meyer le spectacle Contre d'après la vie et l'œuvre de John Cassavetes et Gena Rowlands. Il y interprète le rôle de John Cassavetes. 

Au cinéma, il tourne notamment avec Bertrand Tavernier, Jérôme Bonnell, François Ozon, Yann Gozlan, Laurent Tirard, Olivier Nakache et Éric Toledano, Guillaume Gallienne, David Roux, Rebecca Zlotowski, Thomas Cailley, Constance Meyer, Sébastien Marnier, Guillaume Nicloux, Cathy Vernet, Diane Kurys ...