Салливен не получил законченного профессионального образования. Недолго он изучал архитектуру в Массачусетском технологическом институте (1872—1873). Его главным учителем был Уильям Роберт Уэйр (). Потом Салливен уехал в Филадельфию, где работал в мастерской Фёрнесса (). Из-за долгой депрессии работа у Фёрнесса закончилась, и Салливен поехал в Чикаго, где застал строительный бум после большого чикагского пожара. Там он работал вместе с Уильямом Ле Барон Дженни (), а меньше чем через год уехал в Париж. Во Франции Салливен посещал Школу изящных искусств (1874-75).
После возвращения в США Салливен стал снова работать архитектором. Немного позже стал работать совместно с Данкмаром Адлером, в 1883 году они стали равноправными партнерами. Их фирма носила имя Adler&Sullivan, в таком виде просуществовала до 1895 года. Салливен был автором декора, который он придумывал по французским примерам, в основном по Flore Ornamentale от Victor Ruprich-Robert ().
Салливен с Адлером прекрасно дополняли друг друга. Салливен выступал как архитектор орнамента и интерьеров, а Адлер прекрасно планировал, занимался инженерными вопросами и акустикой. После того, как коллеги разошлись, заказов у Салливена стало значительно меньше. Некоторую симпатию сохранил старый клиент Дэвид Майер, который в 1898 году попросил построить торговый дом Schlessinger&Meyer Store, более известный как Carson Pirie. Это было последним большим заказом Салливена, оказавшим влияние на облик города.
Отправной точкой для его архитектурных экспериментов были произведения Ричардсона, в которых романтическая фантазия органично сочеталась со строгой логикой функциональности. Первое крупное произведение — Аудиториум в Чикаго (1886-89). На рубеже XX века первым разработал концепцию высотного здания, стремясь «использовать новые пропорции и ритмику, продиктованные ячеистой структурой конторского здания» (БСЭ). Изложил свои взгляды в статье «Высотное конторское здание с художественной точки зрения» (1896). Начиная с 1908 г. работал в тандеме с Джорджем Грантом Элмсли («дома прерий» и «алмазные шкатулки»). В 1918 г. объявил о своём банкротстве, закончил жизнь в бедности.
Уэйнрайт-билдинг в Сент-Луисе (1890-91)
Национальный фермерский банк (1908)
Особняк Брэдли (1910)
Русская православная церковь в Чикаго (1903)