À l'âge de vingt ans, elle épouse l'écrivain Georges Bataille avec lequel elle a une fille en 1930, la psychanalyste Laurence Bataille (morte en 1986). Georges Bataille et Sylvia se séparent en 1934 mais ne divorcent qu'en 1946. A partir de 1938, elle partage la vie du psychanalyste Jacques Lacan, avec lequel, en 1941 elle a une fille, Judith, aujourd'hui Judith Miller, psychanalyste. Sylvia Bataille épouse Jacques Lacan en 1953.
Elle est la soeur de Rose Maklès (épouse d'André Masson), de Bianca Maklès (comédienne à l'Atelier sous le nom de Lucienne Morand et épouse de Théodore Fraenkel) et de Simone Maklès (épouse de Jean Piel).
Élève de
Charles Dullin, Sylvia Bataille débute au théâtre avec le Groupe Octobre, troupe théâtrale d'agit-prop, animée par
Jacques Prévert. Elle fait ses débuts au cinéma en 1933, et en 1936 joue son rôle le plus mémorable dans Partie de campagne de
Jean Renoir. Elle cesse définitivement de tourner en 1950.