Sylvie Vartan kam 1952 mit ihrer Familie nach Paris. 1961 nahm sie zusammen mit Frankie Jordan ihre erste Schallplatte auf: Panne d’essence. Im Januar 1962 hatte sie ihren ersten Hit in den französischen Verkaufscharts: Quand le film est triste. Zur gleichen Zeit stand ihr zukünftiger Ehemann Johnny Hallyday mit dem Song Retiens la nuit auf Platz eins. Die beiden heirateten im Jahr 1965. Aus der Ehe, die 1980 geschieden wurde, stammt der 1966 geborene Sohn David Hallyday, der ebenfalls Sänger und Schauspieler wurde.
Vartan galt in den 1960er Jahren als Teenager-Idol in den französischsprachigen Ländern. Est-ce que tu le sais?, Tous mes copains, Dansons (alle 1962), En écoutant la pluie, I’m Watching You, Si je chante, La la la (1963), La plus belle pour aller danser, Sha-la-la, L’homme en noir (1964), Dans tes bras, Cette lettre-là, Quand revient la nuit (1965), Mister John B, Ballade pour un sourire (1966), Par amour, par pitié, 2′35″ de bonheur, Un peu de tendresse, Moi (1967), L’oiseau, Baby Capone, Irrésistiblement (1968), On a toutes besoin d’un homme, Face au soleil, Apprends-moi (1969) waren einige ihrer vielen Hits. Vartans Musik war in der Pop- und Beatmusik und dem Schlager der 1960er Jahre verwurzelt. Nicht selten nahm sie internationale Hits auf Französisch auf wie zum Beispiel The Locomotion von Little Eva: Le Locomotion (1962). Sie galt als Topstar der sogenannten Yéyé-Girls (französische Teenager-Pop-Bewegung der 1960er Jahre) zusammen mit Françoise Hardy und Sheila. Emblematische Songs aus dieser Zeit, die sie bis heute auf Konzerten singt, sind La plus belle pour aller danser und La Maritza, das an ihre Kindheit in Bulgarien und das Exil in Frankreich erinnert.
Vartan unternahm einige Versuche, auf dem deutschsprachigen Musikmarkt Fuß zu fassen, blieb hier jedoch weit hinter Françoise Hardy, France Gall, Sheila (Sheila B. Devotion) und vor allem Mireille Mathieu zurück. Auch englischsprachige Platten, die in den USA und Großbritannien veröffentlicht wurden, vermochten ihr nicht zum Durchbruch in den dortigen Hitparaden zu verhelfen. Nur einmal schaffte sie den Sprung in die Bestenlisten in den USA: 1984 sang sie zusammen mit John Denver das Duett Love Again und landete auf Platz 85 der US-Hitparade. Dafür gelang ihr in Italien eine Karriere in den späten 1960er und frühen 70er Jahren mit mehreren Hits in italienischer Sprache, regelmäßigen Auftritten im dortigen Fernsehen und einer eigenen Fernsehshow.
In Frankreich blieb sie weiterhin erfolgreich. In den 1970er Jahren wechselte sie zwischen Pop, Folk, Disco, Cabaret und Musical. Nebenbei trat sie gelegentlich als Schauspielerin in Erscheinung. Noch in den 2000er Jahren erschienen mehrere neue Alben Vartans, darunter das Studioalbum Sylvie (2004), das Live-Album Live au Palais des Congrès 2004, Nouvelle Vague (2007) und zuletzt Merci pour le regard (2021).
Seit dem Ende der kommunistischen Regime im Ostblock reiste sie mehrmals nach Bulgarien, besuchte ihr Elternhaus und hatte einige Gesangsauftritte vor bulgarischem Publikum. Außer Französisch spricht sie bis heute auch fließend Bulgarisch.
