Il prend part à la Coupe du monde à partir de la saison 2001.
Il compte dix podiums en Coupe du monde dont une victoire en sprint par équipes le avec Jason Lamy-Chappuis et une troisième place en gundersen sur grand tremplin le , son unique podium individuel en Coupe du monde. Il compté également trois secondes places en relais en 2010, 2013 et 2014, deux troisièmes places en relais le avec Lamy-Chappuis, Maxime Laheurte et Braud en 2012 puis en 2013, en sprint par équipes le avec François Braud, en sprint par équipe le et le avec Lamy-Chappuis puis le avec François Braud. Il a également pris part à deux éditions des Jeux olympiques d'hiver, en 2010 à Vancouver et en 2014 à Sotchi avec pour meilleur résultat la 4e place en relais, ainsi qu'à deux éditions des Championnats du monde en 2009 et 2011 avec pour meilleur résultat la 4e place en relais en 2009 et 2011.
En , il remporte la médaille d'or du relais lors des Championnats du monde à Val di Fiemme en Italie grâce à un dernier relais de haut niveau de son équipier Jason Lamy-Chappuis.
Quelques jours plus tard, il remporte l'épreuve par équipe, en duo, toujours associé à Jason Lamy-Chappuis. Les deux Français se classent quatrièmes du saut à ski et entament le ski de fond avec un retard de 43 secondes sur la paire allemande Edelmann-Frenzel alors en tête. Les Français remontent leurs adversaires lors des différents relais de la course et s'imposent finalement devant les équipes d'Autriche et d'Allemagne.
Sébastien Lacroix a remporté la coupe OPA deux fois consécutives, ce qui en fait le coureur le plus titré de cette compétition réservée aux jeunes coureurs.