Sebastian Carballo effectue ses études de médecine à Genève, et poursuit sa formation en médecine interne aux HUG, initialement dans les cliniques de médecine, puis au sein du service de médecine interne générale. Après l’obtention de son titre de spécialiste, et avec le soutien du FNS et du  fonds de perfectionnement des HUG, il s’engage dans la recherche fondamentale. Il part pour l’Université d’Oxford où il travaille sur les cardiomyopathies héréditaires et obtient en 2006 un titre de Doctor of Philosophy (PhD, DPhil). 

De retour au sein du service de médecine interne générale des HUG depuis 2006, il mène en parallèle activités cliniques et de recherche. Il travaille ainsi sur les bases moléculaires du remodelage cardiaque et sur la prédisposition génétique aux maladies cardiovasculaires, notamment de l’insuffisance cardiaque et du syndrome coronarien aigu. Il est par ailleurs fortement impliqué dans la formation médicale pré- et post-graduée, et depuis 2020 est responsable de l’AMC de médecine interne. Il est nommé professeur associé au Département de médecine en avril 2024.