Sebastian Möller wurde 1968 geboren und studierte Elektrotechnik an den Universitäten in Bochum, Orléans (Frankreich) und Bologna (Italien). Von 1994 bis 2005 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und später Hochschuldozent am Institut für Kommunikationsakustik (IKA) der  Ruhr-Universität Bochum tätig und arbeitete dort im Bereich der  Sprachsignalübertragung, der Sprachtechnologie und Kommunikationsakustik, sowie zu Aspekten der Qualität sprachbasierter Systeme. Von 2005 bis 2015 arbeitete er an den Telekom Innovation Laboratories, einem An-Institut der Technischen Universität Berlin. Im April 2007 wurde er zum Universitätsprofessor für das Fachgebiet "Quality and Usability" an der TU Berlin berufen. Von 2015 bis 2017 war er Prodekan für Forschung der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der TU Berlin, und von 2017 bis 2019 Dekan dieser Fakultät. Er leitet seit 2017 als Wissenschaftlicher Direktor den Forschungsbereich "Speech and Language Technology" am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, DFKI.

Sebastian Möller promovierte an der Ruhr-Universität Bochum im Jahr 1999 mit einer Arbeit zur Beurteilung und Vorhersage von Sprachqualität in kommunikationstechnischen Systemen. Im Jahr 2000 war er als Gastwissenschaftler am Institut dalle Molle d'Intélligence Artificielle Perceptive (IDIAP) in Martigny (Schweiz) tätig und beschäftigte sich mit der Qualität von Spracherkennungssystemen. Er habilitierte sich an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Ruhr-Universität Bochum im Jahr 2004 mit einem Buch über die Qualität telefonbasierter Sprachdialogsysteme. Im September 2008 arbeitete er als Visiting Fellow an den MARCS Auditory Laboratories, University of Western Sydney (Australien) an der Evaluierung von Avataren. Im November 2011 lehrte er als Visiting Professor an der Universidad de Granada (Spanien), von Februar bis April 2012 und von Mai bis Juli 2014 war er Visiting Professor an der Ben Gurion University of the Negev in Be'er Sheva (Israel), im Oktober 2013 war er Visiting Professor an der NTNU in Trondheim (Norwegen), und von 2012 bis 2018 war er Adjunct Professor an der University of Canberra (Australien). Seit 2018 ist er Adjunct Professor an der University of Technology Sydney (Australien). Sein letztes Buch mit dem Titel "Quality Engineering" erschien im Jahr 2010, und das von ihm mit herausgegebene Buch "Quality of Experience: Advanced Concepts, Applications and Methods" im Jahr 2014.

Sebastian Möller wurde 1998 mit dem GEERS-Preis für seine interdisziplinäre Arbeit über die Analyse von Säuglingsschreien zur Früherkennung von Hörschäden ausgezeichnet; er erhielt darüber hinaus den ITG-Preis des VDE im Jahr 2001, den Lothar-Cremer Preis der Deutschen Gesellschaft für Akustik (DEGA) im Jahr 2003, ein Heisenberg-Stipendium der DFG im Jahre 2005, sowie den Johann-Philipp-Reis-Preis im Jahr 2009. Seit 1997 nimmt er an den Standardisierungsaktivitäten der International Telecommunication Union (ITU-T) zum Thema Übertragungsqualität von Telefonnetzen teil, von 2001-2016 als Rapporteur für die Frage Q.8/12 und seit 2017 für die Frage Q.15/12. Weiterhin leitete er den Fachausschuss "Sprachakustik" der DEGA von 2009 bis 2015, war von 2015 bis 2020 Mitglied im Vorstand der ITG im VDE, und ist seit 2016 Mitglied im Board der International Speech Communication Association, ISCA.