Nach seinem Studium der Theologie (Vordiplom) und Physik (Diplom) an den Universitäten Bamberg und Bonn promovierte Sebastian Chmel auf dem Gebiet der Kernstrukturphysik am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Forschungsaufenthalte führten ihn hierbei unter anderem an das Forschungszentrum Rossendorf, das Instituto Nationale di Fisica Nucleare in Legnaro (Italien) und das Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley (USA). Anschließend begann er mit Lehrtätigkeiten an der Universität Bonn, als Gastdozent an der Australian National University und an der Fachhochschule Koblenz. Dabei deckte er einen breiten Fächerkanon ab, von den mathematischen Grundlagen über die Atom- und Kernphysik bis hin zur Festkörperphysik.

Seinen Forschungsschwerpunkt verlagerte Sebastian Chmel dann von der Grundlagenforschung in die angewandte Physik, der er sich seit 2007 im Fraunhofer-Institut INT in Euskirchen widmet. Hier beschäftigt er sich unter anderem mit der Konzeption und Durchführung von internationalen Forschungsprojekten im Bereich der Sicherheitsforschung, insbesondere der nuklearen Sicherheit und der Detektion von Radioaktivität. An der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg lehrt Sebastian Chmel seit 2010 Physik und Messtechnik.

Über seine Aktivitäten in Forschung und Lehre hinaus wirkt er im Zweitberuf als Musiker: Er leitet zwei Chöre und ist als Organist und Pianist sowohl im Bereich der klassischen als auch der Unterhaltungsmusik tätig.