Oma esimese filmirolli tegi Sydow 1949. aastal Alf Sjöbergi filmis "Only a Mother", 1955. aastal kohtus ta Ingmar Bergmaniga ning sellest sündis nende aastaid kestnuid koostöö, vahendas The Guardian. Kokku astus Sydow üles 11 Bergmani filmis, neist tuntumaks on "Seitsmes pitser" ("The Seventh Seal"), kuid ta mängis ka filmides "Maasikavälu" ("Wild Strawberries"), "Neitsiallikas" ("The Virgin Springs"), "Häbi" ("Shame") jpt.

Lisaks Bergmanile lõi näitleja kaasa mitmete teiste kinolegendide filmides. Ta mängis William Friedkini õudusfilmis "The Exorcist" (1973), David Lynchi filmis "Dune'" (1984), Martin Scorsese linaloos "Shutter Island" (2009), Woody Alleni komöödias "Hannah and Her Sisters" (1986), Wim Wendersi ulmeloos "Until the End of the World" (1991) ja Ridley Scotti ajaloolises draamas "Robin Hood" (2010). Tema viimasteks rollideks jäävad ülesastumised filmides "Star Wars: The Force Awakens" (2015), "The First, the Last" (2016) ja "Kursk" (2018).

Oma 60-aastase näitlejakarjääri jooksul pälvis ta kaks Oscari nominatsiooni, ühe rolli eest Billie Augusti filmis "Pelle the Conqueror" (1987), teise rolli eest linaloos "Extremely Loud & Incredibly Close" (2011), rolli eest "Troonide mängus" pälvis ta ka Emmy nominatsiooni. 1982. aastal võitis ta Veneetsia filmifestivalil parima näitleja preemia rolliga Jan Troelli filmis "Flight of the Eagle".