Formé au Théâtre national de Strasbourg, Sébastien Pouderoux est dirigé en 2009 par Christophe Honoré dans la pièce Angelo, tyran de Padoue. Ce spectacle tiré de la pièce de Victor Hugo est joué au Festival d’Avignon.
Un an après, Honoré lui propose un rôle dans son film Homme du bain (2010), avant de le diriger à nouveau sur scène à Avignon dans Nouveau roman, adaptation de sa propre pièce (2011).
Sébastien Pouderoux va dès lors se partager entre le cinéma et le théâtre. Il devient pensionnaire de la Comédie-Française en 2012, et en sera le 535e sociétaire en 2019. Il y collabore notamment avec Denis Podalydès, Clément Hervieu-Léger et Thomas Ostermeier.
Au cinéma, Sébastien Pouderoux tourne à deux reprises avec Jérôme Bonnell, avant de rejoindre le casting de Quai d’Orsay (2013) de Bertrand Tavernier. Il est ensuite chirurgien dans Brèves de comptoir (2014) de Jean-Michel Ribes, collègue d’Anaïs Demoustier dans Une nouvelle amie (2014) de François Ozon, futur marié dans Le sens de la fête (2017) de Todelano et Nakache, et médecin dans Maryline (2017) de Guillaume Gallienne.
On le retrouve en journaliste dans Grâce à Dieu (2018) d’Ozon, en hypothétique rival de Benjamin Lavernhe dans Le discours (2021) de Laurent Tirard, et en dirigeant de société véreux dans Boîte noire (2021) de Yann Gozlan.