Sylvain est né à Limoilou en 1943, dans cette basse-ville de Québec dont il décrira plus tard le quotidien à travers ses mots. Fasciné dès son plus jeune âge par les arts plastiques, il s’inscrit d’abord à l’École d’architecture (1961-63), mais il change de champ d’étude et choisit plutôt les Lettres à l’Université Laval, où il obtiendra un baccalauréat en 1966. Sa tante Lucette, une pianiste, lui donne ses premiers cours de piano. Autodidacte, il apprendra le répertoire classique: Chopin, Mozart, Beethoven, etc. Son véritable enthousiasme pour la musique est déclenché par le visionnement du film The Eddy Duchin Story à l’âge de 13 ans, une reconstitution de la vie du pianiste américain; dès ce moment, le piano sera au centre de son existence.
À 20 ans, en 1963, Sylvain remporte le premier prix du Concours international de Chanson sur mesure de la Communauté radiophonique des programmes de langue française avec Les amours anciennes, qui sera interprétée par la grande Monique Leyrac. Durant les cinq années suivantes, il étudiera en lettres, donnera des cours de littérature, écrira des chansons, du théâtre ainsi que de la poésie pour la radio, notamment à l’émission hebdomadaire de Radio-Canada Québec, Porte Saint-Louis, animée par son père Roland. Dès le milieu des années 1960, Sylvain se produit dans les boîtes à chansons de Québec et y rencontre ses amis Gilles Vigneault, Vic Angelillo, Clairette, Danielle Oddera, ainsi que Frank Furtado, son futur impresario.
En 1968, il s’établit à Montréal, devient professeur de littérature au Collège de Maisonneuve et y crée le premier cours de chanson au Québec. Il publie ensuite deux recueils de poésie aux Éditions de l’Arc : Les trottoirs discontinus, en 1969, et Les sept portes, en 1972. En 1975, il triomphe devant une foule de 12 000 spectateurs au Festival de la Chant’Août à Québec. Cette même année, il lance un 33-tours dont la chanson titre, Petit matin, monte dans les palmarès; Marie-Hélène (1976), Lettre de Toronto (1978), Moman est là (1979) et Dans le métro (1981), pour ne citer que celles-là, confirment ensuite son immense talent d’auteur-compositeur-interprète. Il devient d’ailleurs le premier récipiendaire de la Médaille Jacques Blanchet en 1983, dont le jury souligne « sa persistance dans la qualité ».
En décembre 1984, accompagné de l’harmoniciste Alain Lamontagne, Sylvain fait belle figure sur les planches du Théâtre de la Ville de Paris. Il lance l’album Lignes de cœur en 1986, dont deux pièces se retrouveront dans les palmarès québécois. Cette année marque également le début de sa précieuse collaboration avec Daniel Lavoie, s’incarnant sur l’album Vue sur la mer avec les pièces Je voudrais voir New York et Que cherche-t-elle? qu’ils composent avec Thierry Séchan. À la fin de cette décennie, Sylvain lance avec Un aller simple un bouquet de chansons à portée sociale, politique et environnementale, dont la très avant-gardiste Tôt ou tard qu’interprète Céline Dion lors de sa tournée Unisom.
Le début des années 1990 souligne la tournée Un aller simple au Club Soda de même que la sortie de la compilation Ses plus belles chansons. Suit la publication d’un recueil de chansons À mots découverts chez VLB Éditeur. En 1993, Sylvain signe la musique de la série radiophonique Un fleuve et des gens et les paroles de la chanson-titre du film Les mots perdus de Marcel Simard. Suit un disque important enregistré devant public, Qu’est-ce qu’on a fait de nos rêves, en 1994. Cet album reflète l’engouement musical de Sylvain pour le jazz, puisqu’il se commet dans un trio acoustique, accompagné de ses deux complices, Vic Angelillo, à la basse et contrebasse, et Gérard Masse, aux percussions. Le gala de l’ADISQ le récompense du Félix du meilleur auteur-compositeur-interprète de l’année pour cette production. Sacrée personnalité de la semaine par le quotidien La Presse, Sylvain accumule les honneurs. Dans la foulée de cette année effervescente, les Francofolies de Montréal lui réserve, en août 1995, l’événement «La fête à Sylvain Lelièvre», où sont invités une brochette d’amis artistes, tels que Beau dommage, Michel Rivard, Daniel Lavoie, Isabelle Boulay et Danielle Oddera. En 1996, il ajoute une nouvelle corde à son arc en publiant son premier roman Le troisième orchestre qui rallie succès critique et public. En 1998, Sylvain revient sur disque avec un album à tendance résolument jazz, Les choses inutiles, acclamé unanimement par la critique, et qui fera l’objet d’une grande tournée incluant une rentrée montréalaise au Théâtre Corona.
Le 1er juillet 2000, Sylvain présente un spectacle en sextette au Festival international de jazz de Montréal comprenant des chansons, des pièces instrumentales et des standards de jazz qu’il affectionne. L’accueil du public et de la critique est dithyrambique, ce qui l’incite à se tourner davantage vers le jazz. C’est ainsi que prend forme son dernier spectacle, Versant Jazz, qui à son tour donne naissance au disque Versant Jazz live au Lion d’Or, son douzième en carrière, qui paraît en février 2002 et qui gagne le Félix de l’album jazz de l’année.
Deux mois plus tard, le 28 avril 2002, Sylvain est victime d’un malaise dans un avion qui le ramène des Îles-de-la-Madeleine à Montréal. Il s’éteint deux jours plus tard à l’âge de 59 ans, des suites d’une embolie cérébrale gazeuse sévère. Depuis sa disparition, il est l’objet de nombreuses commémorations: un parc de Québec, une aire de jeux à Mirabel, deux salles de spectacle (au Cégep Limoilou et au Collège de Maisonneuve) et trois rues (Repentigny, Vaudreuil-Dorion et Rimouski) portent son nom. En 2022, Sylvain reçoit le considérable honneur d’entrer au sein du Panthéon des auteurs et compositeurs canadiens.
