In Sydney wurde 1850 die erste Universität Australiens gegründet: die University of Sydney. Zwischenzeitlich sind in Sydney auch die University of New South Wales, Macquarie University, University of Technology Sydney, University of Western Sydney und die Australian Catholic University (zwei von fünf Standorten sind in Sydney) eröffnet worden. Die University of Notre Dame Australia und die University of Wollongong haben Zweigstellen in Sydney.
Die Universität Sydney gehört zur Group of Eight, den Universitäten mit dem besten Ruf in Australien. Der Hauptcampus befindet sich in Camperdown, einem Vorort von Sydney. Die Sandsteingebäude im gotischen Stil, wurden von Edmund Blacket entworfen und 1862 erstellt. Die schnelle Entwicklung seit Mitte des 20. Jahrhunderts resultierte im Erwerb weiterer Campus und der Übernahme von vorher unabhängigen Schulen.
An den staatlichen Universitäten werden die meisten Studienplätze für Inlandsstudenten von der Regierung gefördert. Der Zugang zu diesen Plätzen hängt hauptsächlich von der Qualifikation der Studenten ab. Diese zahlen ihre Studiengebühren nicht im Voraus, über ein staatliches Programm (HECS-HELP) werden Kredite gewährt. Ein Studium an privaten Universitäten ist nur mit Zahlung von Studiengebühren möglich. Auslandsstudenten können das so genannte „overseas student program (OSP)“ wahrnehmen, jedoch besteht für Auslandsstudenten („Not Australian citizens or Australian permanent residents“) generell die Verpflichtung zur Zahlung von Studiengebühren.
Von staatlicher Seite wurden in Australien im tertiären Bildungsbereich die so genannten TAFE (Technical and Further Education)-Institute eingerichtet. Davon sind in Sydney ansässig: Sydney Institute of Technology, North Sydney Institute of TAFE, Western Sydney Institute of TAFE und South Western Sydney Institute of TAFE.
In Sydney selbst gibt es über 900 staatliche und private Schulen und Vorschulen.
Wichtige Bibliotheken sind die State Library of New South Wales und die Bibliothek der Universität Sydney. Letztere ist mit einer Sammlung von mehr als 5,1 Millionen Bänden die größte Bibliothek der südlichen Hemisphäre. Sie besteht aus 20 Einzelbibliotheken, die auf neun verschiedene Teile des Campus verteilt sind. Das Hauptgebäude, die Fisher Library, ist nach Thomas Fisher, einem früheren Unterstützer, benannt.