Sybil Thorndike reçoit une formation de pianiste avant de s'orienter vers le théâtre (à l'instigation de son frère, l'auteur Russell Thorndike (en)), où elle sera très active de 1904 à 1969. Elle se produit notamment dans des pièces de William Shakespeare et de George Bernard Shaw (ce dernier écrira Saint Joan pour elle). Hors le Royaume-Uni, elle effectue des tournées aux États-Unis, en Australie et en Afrique du Sud. À Broadway, elle joue dans cinq pièces, la première fois en 1907, la dernière fois en 1957.
Au cinéma, elle apparaît de 1921 à 1963, notamment dans Le Grand Alibi (1950) d'
Alfred Hitchcock, avec
Jane Wyman et Marlene Dietrich, ou encore Le Prince et la Danseuse (1957) de et avec
Laurence Olivier (et
Marilyn Monroe). Et notons qu'elle reprend au cinéma certains des rôles qu'elle a précédemment interprétés au théâtre (Macbeth, Sainte Jeanne, Oncle Vania...).
Sybil Thorndike participe également, pour la télévision, à des téléfilms (dès 1939) et séries, jusqu'en 1970.