Sylvie Testud s-a născut pe 17 ianuarie 1971 și a crescut în cartierul Croix-Rousse din Lyon, după ce tatăl ei a părăsit-o pe mama sa când Sylvie avea doar doi ani. Fascinată încă din copilărie de cinema, la 14 ani a început să ia cursuri de teatru la Lyon cu actorul și regizorul Christian Taponard. În 1989, s-a mutat la Paris, unde a petrecut trei ani la Conservator, continuându-și pregătirea actoricească.
La începutul și mijlocul anilor 1990, Testud a obținut primele roluri mici în filme precum L’Histoire du garçon qui voulait qu’on l’embrasse și Love. În 1994 a apărut pentru prima dată pe marele ecran în filmul Couples et amants. În 1996, a avut un mare succes în Germania cu Jenseits der Stille. În 1997, a obținut primul ei rol major, Béa, în filmul Karnaval.
În 1998, a fost aleasă de Akerman să joace în La Captive (2000), o adaptare a operei lui Marcel Proust, La Prisonnière. În 2000, a câștigat Premiul César pentru cea mai promițătoare actriță pentru rolul Christina Papin din filmul Servitoare criminale. În 2003, a publicat cartea autobiografică Il n'y a pas beaucoup d'étoiles ce soir, cu anecdote din viața ei de zi cu zi ca actriță, ediția franceză având coperta concepută de sora ei, Ghislaine.
În 2004, Sylvie Testud a obținut Premiul César și premiul Lumière pentru cea mai bună actriță, pentru rolul din filmul Stupeur et tremblements (2003). În 2005 sau 2006, s-a întors în Lyon, la Théâtre de la Croix Rousse, unde a interpretat rolul Edith în adaptarea lui Philippe Faure a piesei La Pitié dangereuse de Stefan Zweig.
În 2007, a jucat în filmul La vie en rose, în rolul lui Momone, cea mai bună prietenă a lui Edith Piaf, iar în 2008 a interpretat-o pe scriitoarea Françoise Sagan în filmul Sagan, pentru care a fost din nou nominalizată la Premiul César pentru cea mai bună actriță. În 2008–2011, a interpretat rolul unei paraplegice în L’Idiot. În 2009, a primit Premiul European de Film pentru cea mai bună actriță pentru rolul din filmul Lourdes și a fost numită Cavaler al Ordinului Național al Meritului în martie 2009.
În 2014, a fost aleasă să joace în mai multe filme, printre care thrillerul 96 Heures, iar în 2015 a jucat în primul film al lui Alex Lutz, Le Talent de Mes Amis. Printre alte filme în care a apărut se numără Dincolo de tăcere (1996), Viața în trandafir (2007) și Franceze (2014).
În plan personal, Sylvie Testud are un fiu, Ruben, născut pe 15 februarie 2005, și o fiică, Esther, născută în ianuarie 2011, cu același partener, al cărui nume nu l-a făcut public.
