Биатлоном начал заниматься с 2011 года, в возрасте 14 лет.
Начал свою профессиональную карьеру с выступлений на Кубке IBU в сезоне 2015/16.
В сезоне 2016/17 дебютировал на этапах Кубка мира. В первой же своей спринтерской гонке занял 19-е место, получив свои первые очки Кубка мира. Также, получив право участвовать в преследовании, занял там 20-е место.
В гонке преследования на Олимпийских играх 2018 года, 12 февраля 2018 года, Себастьян завоевал первую значимую для себя медаль, став серебряным призёром, накануне в спринте стал 14-м. 15 февраля занял 4-е место в индивидуальной гонке. 23 февраля стал олимпийским чемпионом в эстафете в возрасте 20 лет.
На сезон 2018/19 занимает 14-е место в общем зачёте, имея свыше 200 очков. Лучшее выступление состоялась в Оберхофе во время спринта, где Себастьян занял третье место.
В сезоне 2020/21 получил свою первую личную золотую медаль — на втором этапе в Контилахти Себастьян выиграл гонку преследования.
На чемпионате мира 2021 года завоевал 4 медали — серебро в гонке преследования и мужской эстафете и бронзу в смешанной эстафете и сингл-миксте.
На Олимпийских играх 2022 года остался без медалей. Самуэльссон занял пятое место в спринте, а также 4-е место в смешанной эстафете и 5-е место в мужской эстафете.
На чемпионате мира 2023 года в Оберхофе выиграл золото в масс-старте. Самуэльссон не промахнулся ни разу на 4 огневых рубежах и на 9,6 сек опередил Мартина Понсилуому. Там же завоевал три бронзовые медали — в гонке преследования, индивидуальной гонке и мужской эстафете. Таким образом, Самуэльссон на втором чемпионате мира подряд выиграл 4 медали.
На чемпионате мира 2024 года в Нове-Место стал бронзовым призёром в смешанной эстафете. Эта медаль стала для Самуэльссона 10-й на чемпионатах мира, в том числе седьмой бронзовой. 17 февраля выиграл золото в мужской эстафете, в которой бежал на последнем этапе. Швеция впервые в истории выиграла золото в мужской эстафете на чемпионате мира.
Инд — индивидуальная гонка (КорИнд — короткая индивидуальная гонка) Пр — гонка преследования Спр — спринт МС — масс-старт Эст — эстафета См — смешанная эстафета Сусм — одиночная смешанная эстафета DNS — спортсмен был заявлен, но не стартовал DNF — спортсмен стартовал, но не финишировал DSQ — спортсмен финишировал, но дисквалифицирован LAP — спортсмен по ходу гонки (для гонок преследования и масс-стартов) отстал от лидера более чем на круг и был снят с трассы — — спортсмен не участвовал в этой гонке
Награды
Королевская медаль Его Величества за заслуги перед шведским спортом (2019)[5]