En tant que metteur en scène, il travaille principalement sur les écritures contemporaines. Il est par ailleurs comédien.

Il met en scène son premier spectacle en 1998. De 1999 à 2003, il met en scène une dizaine de spectacles pour la Compagnie Basta, parmi lesquels Porcherie de Pier Paolo Pasolini (1999), Une Noce d’Anton Tchekhov (2000), Les Bonnes de Jean Genet (2001), Escalade ordinaire de Werner Schwab (2001), Fallait rester chez vous, têtes de nœud de Rodrigo Garcia (2003).

En 2001, Stanislas Nordey lui propose d’animer un travail de recherche autour du roman de Peter Weiss, L’esthétique de la résistance, au Théâtre du Rond-Point. De 2003 à 2008, il travaille comme comédien (notamment avec François-Xavier Frantz et Juliette Piedevache) et comme metteur en scène pour différentes compagnies.

En 2009, il met en scène L’homosexuel ou la difficulté de s’exprimer, troisième pièce de Copi qu’il monte, après Le Frigo et Une Visite inopportune (2000). Suivront La Base de Jean-Bernard Pouy pour le Festival Off d’Avignon puis, en 2010, Le Monologue d’Adramélech de Valère Novarina au Théâtre de Gennevilliers.

En 2011, il crée Rudimentaire d’August Stramm, à la Sall'amandre d'Asnières sur Seine et Du sang sur le cou du chat de Rainer Werner Fassbinder à la Maison du Développement Culturel de Gennevilliers.

Au cours de la saison 2011-2012, il met en scène et interprète La Conférence de Christophe Pellet au CDN de Gennevilliers puis à la Loge (Paris) et au Festival d'Avignon 2013. En mars, il crée Face au mur de Martin Crimp à Asnières sur Seine puis, en avril, Gouttes dans l'océan de Rainer Werner Fassbinder au Théâtre de Verre, à Paris (repris à l'Art Studio Théâtre et à A la Folie Théâtre à Paris) et en mai Prédiction de Peter Handke, toujours au Théâtre de Verre. En novembre il crée Quartett de Heiner Müller à la Maison du Développement Culturel de Gennevilliers.

En 2013, il met en scène un diptyque, L'Amour est mort, vive l'amour !, composé de Il faut qu'une porte soit ouverte ou fermée d'Alfred de Musset et de Pourquoi ? de Luigi Pirandello, présenté en mai au T2G.

Dernièrement, il a crée en langue française la pièce de Thomas Bernhard Élisabeth II (projet sélectionné pour le Prix Théâtre 13 / Jeunes metteurs en scène 2013) au Théâtre de Gennevilliers (repris au Vingtième Théâtre), et mis en scène un monologue inédit de Frédéric Vossier, Insula, au Théâtre de Verre. Il a également été responsable, en compagnie de William Astre, de la programmation du Festival de l'Astre !, donné en mars 2014 au Théâtre de Verre à Paris.

Depuis septembre 2013, il dirige, en compagnie de Clémentine Aznar, l'Atelier autour des Écritures Contemporaines du Théâtre de Gennevilliers.

A l'été 2014, il est l'assistant de Bernard Sobel sur Idiot Savant & Old Fashioned Prostitute (A True Romance) de Richard Foreman et Sauvée par une coquette & Le Rêve du papillon de Guan Hanqing, quatre spectacles présentés en septembre aux Déchargeurs à Paris.

Au cours de la saison 2014/2015, il créera une série de trois monologues, baptisés « monologues de l'intime », et centrés sur le rapport entre le texte de l'auteur et l'intimité de l'acteur : L'Homme à la guitare de Jon Fosse, pour Thomas Perino (novembre 2014), 33 derniers soupirs de Fabrice Melquiot, pour Sébastien Gorteau (février 2015) et Simplement compliqué de Thomas Bernhard, pour David Gabison (avril 2015). En 2015 il met en scène Trois ruptures de Rémi De Vos.

Sylvain Martin a également travaillé, comme acteur, sous la direction de Frédéric Mauvignier, Éric Da Silva, Aimé Sara Bernard, Ana Borralho et Joao Galante.

Il est par ailleurs l'auteur de plusieurs récits et contes et de deux romans : Pour en finir (2007) et Se sauver (2014). Ses textes ont faits l'objet de nombreuses lectures publiques, sous sa direction ou sous celles d'autres metteurs en scène, comme Claire Lamarre ou encore Sophie Loucachevsky, avec les élèves de l'École Supérieure d'Art Dramatique de Paris.