Für Sebastian Pflugbeil ist die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl am 26. April 1986 zu einem Lebensthema geworden. Zusammen mit einer Gruppe der Ärzte für den Frieden hatte er bereits vor der Katastrophe eine Aufklärungsschrift über die Wirkungen von Kernwaffen verfasst, die von der Studienabteilung beim Bund der Evangelischen Kirchen in der DDR verbreitet worden war. Im Mai 1986 informierte er kirchliche Gremien über Planungen und Risiken der Atomindustrie in der DDR. Er erreichte, dass zumindest die Synode der Evangelischen Kirchen der Union einen schrittweisen Abbau der Atomanlagen sowjetischer Bauart forderten. Der Physiker gehörte zu den wenigen Menschen, die das Projekt Pechblende von Michael Beleites unterstützten, das die Folgen des Uran-Abbaus durch die Wismut AG in der DDR untersuchte. Im Jahr 1988 erschien die Studie Energie und Umwelt, mit der Pflugbeil über die desaströse Lage der Energiewirtschaft der DDR informierte. Auf ihrer Grundlage eröffnete sich dem Netzwerk Frieden konkret ein neues Arbeitsfeld.

Im September 1989 gehörte Sebastian Pflugbeil zu den Erstunterzeichnern des Gründungsaufrufes für das Neue Forum und er vertrat die Bürgerbewegung am Zentralen Runden Tisch. Ab Februar 1990 nutzte er seine Position als Minister ohne Geschäftsbereich der Regierung Modrow, um die Abschaltung des Atomkraftwerkes sowjetischer Bauart in Greifswald durchzusetzen. Von 1990 bis 1994 war er Mitglied des Abgeordnetenhauses von Berlin. Seit 1993 ist Pflugbeil Vorsitzender des Vereins Kinder von Tschernobyl und seit 1999 Präsident der Gesellschaft für Strahlenschutz e. V. Er wirkte als Gutachter der BStU daran mit, Manipulationen der Staatssicherheit mit radioaktiven Materialien aufzudecken, die ohne Rücksicht auf die Opfer die Überwachung unbotmäßiger DDR-Bürger erleichtern sollten.