Il décroche son baccalauréat arts plastiques en 1982 puis, en 1984, il s'inscrit à l'École supérieure des arts appliqués Duperré section stylisme et expression visuelle. Il abandonne en cours d'année et part alors pour Angoulême, où il est diplômé de l'École supérieure de l'image en 1987.

L'année précédente, il publiait sa première bande dessinée Le Secret des libellules (Futuropolis) puis en collaboration avec Nicolas de Crécy, il sort une adaptation du premier roman de Victor Hugo, Bug-Jargal.

Il part ensuite pour l'Angleterre où il réalise quelques spots publicitaires en free lance (Renault, Swissair, Swinton...) puis, de retour en France, il réalise le clip vidéo Ça va, ça va pour le groupe vocal TSF.

Il s'attaque ensuite au scénario de Le Pont dans la vase (Glénat), dessiné par Hubert Chevillard puis de Léon la came (Casterman), avec Nicolas de Crécy.

En 1991, il entame la production de La Vieille Dame et les Pigeons avec la collaboration de Nicolas de Crécy aux décors. Il part ensuite pour le Canada et termine son film en 1996. Il reçoit plusieurs prix dont le Cristal du court métrage au festival d'Annecy et une nomination aux oscars pour le Meilleur court métrage d'animation.

En 2003 sort Les Triplettes de Belleville, son premier long métrage qui lui aussi reçoit une nomination aux oscars dans deux catégories (« Meilleur film d'animation » et « Meilleure chanson originale », musique de Benoît Charest interprétée par Matthieu Chedid). En 2004, il ouvre son propre studio d'animation à Édimbourg en Écosse, le studio Django.

À la sortie des Triplettes de Belleville, Nicolas De Crécy accuse Chomet de plagiat, expliquant que cela met fin à toute collaboration entre les deux hommes1.

En 2005, il passe à la caméra en réalisant, pour le film Paris, je t'aime, le court métrage 7e arrondissement (tour Eiffel) : « J'aurais bien voulu tourner dans le 14e arrondissement, mais au final, j'ai tourné dans le 7e arrondissement, dont personne ne semblait vouloir. C'est vrai que la Tour Eiffel n'est pas facile à cadrer, mais j'ai trouvé ça très intéressant »[réf. souhaitée].

Depuis, il a produit et réalisé à Édimbourg L'Illusionniste, basé sur un script inachevé de Jacques Tati et Henri Marquet. Tati a écrit le manuscrit de L'Illusionniste comme lettre personnelle à sa fille aliénée.

En mars 2014, il réalise un couchgag (le dernier gag du générique, changeant à chaque épisode) pour la série américaine Les Simpson.

Sylvain Chomet se lance dans un nouveau projet : Les Triplettes de Belleville dans Go Ouest, un spectacle musical adapté du film d'animation Les Triplettes de Belleville. Il en est l'auteur, le metteur en scène et le co-compositeur. Il signe également la musique en collaboration avec Dada et Franck Monbaylet. La tournée a lieu en octobre 2014.