Parallèlement à sa carrière de coureur, il est le parrain du défi "D'un Finistère à l'autre", qui va conduire Xavier Jullien, ancien malade du cancer, à parcourir plus de 12 000 km à vélo couché pendant près d’un an, pour relier la France à la Corée du Sud[3]. Sébastien Joly a tout de suite accroché au projet ayant lui-même guéri d'un cancer. « J'ai immédiatement accroché. Je lui ai proposé de l'aider matériellement puis la Française des Jeux a également décidé de le suivre dans son projet[4] ».
Laissé sans équipe à l'issue de la saison 2011, il décide de mettre fin à sa carrière de coureur[5].
Après avoir travaillé pour ASO, il rejoint en 2013 la formation Europcar en tant que directeur sportif[6]. Joly s'occupe également de l'entraînement de plusieurs coureurs de l'équipe ainsi que du développement du matériel[7]. Il quitte l'équipe Europcar à la fin de l'année 2013[8]. Devenu entraîneur, il travaille entre autres avec Kévin Réza[9].
À la fin de 2014 il signe un contrat d’entraîneur avec l'équipe FDJ[10] lui confiant notamment la responsabilité des tests qualité du matériel. En 2018, il devient directeur sportif à part entière de l'équipe, nouvellement nommée Groupama-FDJ. Il quitte cette formation à l'issue de la saison 2023[11] et rejoint Decathlon-AG2R La Mondiale en 2024. Il s'occupe en particulier du contre-la-montre et du groupe de coureurs dédié aux sprints[12].