Après des études de géographie, de musique et de dessin, Sylvie Verheyde se fait remarquer par ses courts métrages (Entre chiens et loups, La Maison verte) au début des années 90, oeuvres récompensées en festivals. La jeune femme se lance alors dans l'écriture et la réalisation d'Un frère, son premier long-métrage, qui sort en salles en 1997. Sélectionné au 50e Festival de Cannes dans la section Cinémas en France, ce film qui met en scène les révoltes d'une soeur et de son frère est saluée par la critique, remportant le Prix Cyril Collard en 1998 et offranr le César du Meilleur espoir féminin à Emma de Caunes.

En 2000, Sylvie Verheyde retrouve Emma de Caunes pour Princesses, dans lequel elle dirige également Jean-Hugues Anglade. Elle travaille ensuite pour le petit écran, signant notamment les téléfilms Un amour de femme et Sang froid, primé au Festival de La Rochelle. En 2007, après une parenthèse de sept ans, la cinéaste revient au cinéma en signant le scénario du film d'action Scorpion, porté par Clovis Cornillac. En 2008, elle réalise Stella, son troisième long-métrage, qui s'intéresse au quotidien d'une jeune lycéenne. Guillaume Depardieu y apparaît dans l'un de ses tous derniers rôles.