Sylvia Hoeks nasceu em Maarheeze, uma cidade do sul da Holanda. Aos 14 anos, ela foi escolhida pela Elite Models e viajou para muitos países europeus para ser modelo. Depois de fazer isso, ela terminou o ensino médio e frequentou a Maastricht Theatre Academy.
Após a formatura, ela fez sua descoberta nacional com o filme de Jos Stelling, Duska (2007), pelo qual ganhou um Bezerro de Ouro (o equivalente holandês do Oscar) no Festival de Cinema Holandês anual. Sylvia rapidamente se tornou procurada por diretores de teatro e cinema e estrelas de prestigiosas séries de TV holandesas, como Overspel (2011) (VARA), Bloedverwanten (2010) (AVRO) e várias peças de teatro.
Dois anos depois de se formar, Sylvia teve a oportunidade de interpretar seu primeiro papel principal como "Julia" no longa-metragem The Storm (2009) (Ben Sombogaart, 2009), que se tornou um grande sucesso de bilheteria. O filme foi um sucesso nacional e chegou ao Stony Brook Film Festival (NY, EUA) e ao Festroia International Film Festival (Setúbal, Portugal), onde recebeu o prémio de "melhor atriz".
Em 2010, Sylvia estrelou como "Tirza" a longa metragem Tirza (2010), do realizador Rudolf van den Berg, que ganhou o prémio de "Melhor Filme" no Festival Internacional de Cinema Festroia, em Portugal. Em 2011, Sylvia foi apresentada na Berlinale como Shooting Star, a iniciativa pan-europeia única que destaca os melhores atores da Europa.
Em 2011, Sylvia interpretou a personagem principal, "Johanna", na longa-metragem The Gang of Oss (2011). Cinco anos após sua descoberta nacional, ela voltou a trabalhar junto com o diretor Jos Stelling em seu novo longa-metragem, The Girl and Death (2012), em uma co-produção russo-alemã (lançamento em 2012).
Em 2013, Sylvia desempenha seu primeiro papel internacional em The Best Offer (2013) (The Best Offer), dirigido por Giuseppe Tornatore e estrelado ao lado de Geoffrey Rush. O filme foi sucesso de bilheteria em vários países europeus, como Itália e Espanha, e foi indicado para Melhor Filme no European Film Awards 2013. Lançado na Holanda e nos EUA em 2014.
Em 2015, ela estrelou várias produções de cinema e TV na Holanda, Alemanha e Dinamarca e aceita a protagonista feminina no novo thriller de ação de Luc Besson, American Renegades (2017) (The Lake), que terá seu lançamento internacional em 2017.
Em 2016, Sylvia estrelou o novo Blade Runner 2049 (2017), dirigido por Denis Villeneuve.
Em 2017, Sylvia estrelou em 'Garota na teia de aranha' como Camilla Salander.
Em 2018, Sylvia assumiu o papel de 'Rainha Kane' no programa 'See' da Apple TV, que filmou sua segunda temporada em 2020.
Em 2020, Sylvia estrela ao lado de August Diehl no filme 'Plano A' da 2ª Guerra Mundial.
Em 2020, Sylvia está co-produzindo uma série limitada sobre o ícone do filme erótico "Sylvia Kristel 'junto com Michael Roskam (Bullhead and The Drop).
