Sybil wurde am 24. Oktober 1882 in Gainsborough, Lincolnshire, geboren. In Rochester besuchte sie die Grundschule für Mädchen und erhielt klassischen Klavierunterricht an der Guildhall School of Music and Drama in London. Mit 11 Jahren hatte sie ihren ersten öffentlichen Auftritt als Pianistin. Auf Anraten ihres Bruders entschied sie sich jedoch dafür, Schauspielerin zu werden. Sie spielte in zahlreichen großen Theaterrollen. Sie interessierte sich auch für die Politik und war eine Unterstützerin der Volksfront-Regierung in Spanien während des Spanischen Krieges. Sie schloss sich Emma Goldman und Rebecca West an, um ein Komitee zu gründen, das heimatlosen spanischen Frauen und Kindern half. Während des II. Weltkrieges war sie eine Leitfigur in der Old Vic Company. Sybil Thorndike starb am 09. Juni 1976 in London.