Van Sebille is geïnteresseerd in hoe stromingen warmte, voedingsstoffen, marine organismen en plastic afval transporteren door verschillende delen van de oceaan. Momenteel leidt hij het project Tracking Of Plastic In Our Seas. Volgens de onderzoekers is 99% van het plastic in de oceaan niet te zien aan de oppervlakte. Ze onderzoeken waar het plastic vandaan komt en waar het vervolgens terechtkomt.

Eerder was hij werkzaam als adjunct-docent aan de Universiteit van New South Wales in Sydney en als docent bij het Grantham Instituut en departement Natuurkunde aan het Imperial College in Londen. Tevens was hij post-doctoriaal onderzoeker aan de Universiteit van Miami, waar hij de variabiliteit van de meridionale omdraaiende circulatie onderzocht.

Zijn PhD behaalde hij aan de Universiteit Utrecht met zijn onderzoek naar de waterstroom van de Indiaanse naar de Atlantische oceaan.