Passionné par le dessin, Sylvain Chomet décroche son baccalauréat en Arts Plastiques en 1982 et obtient le prestigieux diplôme de l'atelier BD d'Angoulême cinq ans plus tard. Il publie entre-temps sa première bande dessinée, Le secret des libellules, ainsi qu'une adaptation dessinée d'un roman de Victor Hugo : Bug-Jargal.

Tout en poursuivant ses activités en free-lance où il prête ses services pour quelques films publicitaires, il s'attaque en 1991 à la réalisation du court-métrage La Vieille Dame et les pigeons, qu'il termine en 1996. Ce premier essai se révèle plus que concluant puisque le jeune homme se voit nommé aux César et à l'Oscar du Meilleur court métrage d'animation en 1998.

Son premier long métrage d'animation, Les Triplettes de Belleville, est présenté hors-compétition à Cannes en 2003. En 2005, Sylvain Chomet abandonne son crayon pour toucher, cette fois-ci, à la caméra en tournant des prises de vue réelles dans le film collectif Paris je t'aime, où il s’attèle à la mise en scène où il dirige l’actrice césarisée Yolande Moreau. 

Par la suite, Sylvain Chomet retourne à son domaine de prédilection et travaille depuis son studio d'animation, Django Films à Edimbourg, sur l'adaptation d'un script inachevé de Jacques Tati, L’Illusionniste. Le film remporte un grand succès critique et gagne le César du Meilleur film d’animation en 2011. Deux ans plus tard, le metteur en scène s’éloigne une fois de plus de l’univers de l’animation pour réaliser son premier long-métrage en prises de vues réelles, Attila Marcel.