Seine erste größere Fernsehrolle spielte Koch schließlich in dem Krimi "Tatort - Die Macht des Schicksals" (1986) an der Seite von Helmut Fischer und unter der Regie des österreichischen Regisseurs Reinhard Schwabenitzky. Sein Kinodebüt gab der Englisch und Französisch sprechende Schauspieler 1989/90 in der internationalen Produktion "Transit" von René Allio. Weiters übernahm er Episodenrollen in den Serien "Der Alte" (1988), "Wolffs Revier" (1993), "Hecht & Haie" (1993) und "Ein Fall für zwei" (1993).

Eine Nebenrolle hatte Sebastian Koch zuvor auch in "Cosimas Lexikon" (1991, mit Iris Berben), in Rolf Silbers Komödie "Ein unmöglicher Lehrer" (1993) spielte er seine erste Hauptrolle.

1994 besetzte ihn Regisseur Carlo Rola in seinem Krimi "Rosa Roth: In Liebe und Tod" erneut an der Seite von Iris Berben und in Peter Schulze-Rohrs preisgekröntem Justizkrimi "Der Mann mit der Maske" (1994) stand Koch gemeinsam mit Nicolette Krebitz vor der Kamera. Ebenfalls 1994 folgten die Komödie "Freundinnen" (Regie: Heiko Schier) und der Krimi "Alles außer Mord - Das Kuckucksei" mit Dieter Landuris und Christiane Paul, inszeniert von Ulrich Stark.

In dem Thriller "Blutige Spur" (1995) agierte Koch einmal mehr unter der Regie von Carlo Rola, diesmal war jedoch Hannelore Elsner seine Filmpartnerin. Danach sah man ihn in dem Thriller "Schrecklicher Verdacht" (1995, Regie: Jeannot Szwarc), in der Komödie "Ein fast perfekter Seitensprung" (1995, Regie: Reinhard Schwabenitzky), in Michael Lähns Kriminalfilm "Der Mörder und die Hure" (1995) sowie in Jan Ruzickas Thriller "Tödlicher Duft" (1995) mit Susanna Simon und Petra Kleinert.

Im Jahr darauf spielte Sebastian Koch in dem Krimi "Die Männer vom K3 - Kurz nach Mitternacht" (Regie: Dror Zahavi), in Heiner Carows Psychodrama "Fähre in den Tod" mit Klaus J. Behrendt, in dem Kriminalfilm "Hollister" und stand in Ulrich Starks Komödie "Hilfe, meine Frau heiratet" mit Gesine Cukrowski und Julia Jäger vor der Kamera.

Und auch 1997 war ein besonders arbeitsreiches Jahr für Sebastian Koch: "Bella Block - Geldgier" (Regie: Erwin Keusch) zeigte ihn an der Seite von Hannelore Hoger - und in Heinrich Breloers viel gelobtem Zweiteiler "Todesspiel" verkörperte er Andreas Baader. Erneut mit Julia Jäger sah man Koch in Rolf Schübels Sozialdrama "Woanders scheint nachts die Sonne", während in "Schimanski - Hart am Limit" Götz George sein Partner war. Außerdem spielte Koch in Matti Geschonnecks ausgezeichnetem Kriminalfilm "Der Rosenmörder" und in dem Kriminalfilm "Gewagtes Spiel" mit Nina Petri (Regie: Martin Gies).

"Schwarzes Blut" (1998) von Diethard Klante zeigte ihn als Yuppie, der in einen gigantischen Skandal um verseuchtes Blut verwickelt wird, und ebenfalls unter Klantes Regie spielte er in "Die Rache der Carola Waas" (1998). Kleinere Rollen hatte Sebastian Koch auch in dem Krimi "Koerbers Akte: Rollenspiel" (1998, Regie: Olaf Kreinsen), in "Anwalt Abel - Die Mörderfalle" (1998, Regie: Olaf Kreinsen) sowie in Nathaniel Gutmans Thriller "Tal der Schatten" (1998).

1999 folgten Rollen in Lars Kraumes Thriller "Der Mörder meiner Mutter", im Kinofilm "Ein Lied von Liebe und Tod" und in Ronald Eichhorns Abenteuerfilm "Die Rückkehr des schwarzen Buddha".

In Roland Suso Richters gefeiertem TV-Zweiteiler "Der Tunnel" (2000) verkörperte Sebastian Koch den Studienfreund von Heino Ferch und in Peter Keglevics Fernsehdrama "Der Tanz mit dem Teufel" (2000) überzeugte er als malträtiertes Entführungsopfer Richard Oetker.

2000 schließlich entstand unter der Regie von Heinrich Breloer das dreiteilige und vom ORF koproduzierte Familien-Doku-Drama "Die Manns", in dem Koch den Schriftsteller Klaus Mann mimte. Für seine Darstellung in "Der Tanz mit dem Teufel" und "Die Manns" wurde Sebastian Koch im März 2002 gleich zweifach mit dem Adolf-Grimme-Preis geehrt - ein Novum in der Geschichte der begehrtesten deutschen Fernseh-Auszeichnung. In weiterer Folge erhielt Koch 2002 für "Die Manns" auch den Bayerischen Fernsehpreis, genannt Blauer Panther. Der Dreiteiler wurde 2002 außerdem mit dem Deutschen Fernsehpreis als "Fernsehereignis des Jahres" ausgezeichnet.

Ende 2002 war der vielseitige Charakterdarsteller im 2001 gedrehten und vom ORF koproduzierten internationalen Historenvierteiler "Napoleon" (Regie: Yves Simoneau) an der Seite internationaler Stars wie Christian Clavier, Gérard Depardieu und John Malkovic zu sehen. 2001 hatte Sebastian Koch außerdem eine Gastrolle in Constantin Costa-Gavras' deutsch-französischem Kinofilm "Amen - Der Stellvertreter" übernommen. In Rolf Schübels Fernsehfilm "Kollaps" stand er 2001 ebenfalls vor der Kamera.

2002 spielte Sebastian Koch u. a. im Kinofilm "Das fliegende Klassenzimmer" (Regie: Tomy Wigand) sowie im vom ORF koproduzierten Goldgräberdrama "Tauerngold" (noch im Herbst 2003 im ORF; Regie: Rüdiger Nüchtern).

In der im Frühjahr 2003 gedrehten ORF-Koproduktion "Marie Bonaparte" spielte er an der Seite von Weltstar Catherine Deneuve deren jugendlichen Filmliebhaber Rodolphe Löwenstein. Der Zweiteiler ist 2004 im ORF zu sehen.

Von März bis Juni 2004 stand er an der Seite von Tobias Moretti in dem dreiteiligen biografischen Doku-Drama "Speer und Er" unter der Regie von "Die Manns"-Macher Heinrich Breloer vor der Kamera.