Son premier album, L'Incroyable vérité (2001) sort sur le label Record Makers fondé, notamment, par le groupe Air. Pour assurer la promotion de l'album, Sébastien Tellier assure leur première partie durant leur tournée de 2001. Sur scène, il est accompagné par Pamelia Kurstin, célèbre virtuose du thérémine.
Politics, son deuxième album, est publié en 2004. Tony Allen, l'ancien batteur de Fela Kuti, joue sur la plupart des titres. Titre phare de l'album, La Ritournelle remporte un franc succès et apporte à Sébastien une relative notoriété.
Son morceau Fantino, issu de L'incroyable vérité est choisi pour faire partie de la bande originale du film
Lost in Translation (2003) de
Sofia Coppola.
En 2004, Sébastien Tellier signe également la BO du film
Narco.
En 2006, il s'isole pour enregistrer, en quelques jours, des reprises acoustiques de titres de ses deux premiers albums, ainsi qu'une reprise du titre du chanteur français Christophe, La Dolce Vita. Il en résulte Sessions, album plus mature et « acclamé » par la critique. L'album n'est distribué qu'en France et en Belgique mais sera un succès. Plus tard, l'album sortira au Royaume-Uni chez Lucky Number. Doté de quelques morceaux supplémentaires issus de la BO de Narco, il sera renommé Universe.
Sébastien déclare que tout tournait autour de la politique, selon lui, au moment où il a composé l'album Politics en 2004. L'album Sexuality (2008) marque un tournant. Il disait lors d'une interview « seul le cul m'intéresse », et son troisième album est donc conçu comme une sorte d'odyssée sexuelle. Tellier abandonne alors les sons acoustiques (à l'exception d'un morceau, L'Amour et la violence), et s'associe au producteur Guy-Manuel de Homem Christo, membre de Daft Punk. L'album, sorti en février, est un succès critique. Il reprend également Des Heures Hindoues de Etienne Daho, dans la compilation tribute en hommage à ce dernier, Tombés pour Daho.
À propos de son look, il déclare souvent associer : « La barbe, pour le côté mystérieux, les cheveux longs pour le côté féminin, les lunettes noires pour le côté sophistiqué ».
Sa compagne est actuellement la jeune actrice de cinéma française Amandine de la Richardière, qui a composé la chanson Divine avec Sébastien et dont on entend les murmures orgasmiques sur le titre Pomme.