وطلب العلم فى صغره، سمع عمرو بن دينار، والزّهرىّ، وزياد بن علاقة، وأبا إسحاق، والأسود بن قيس، وزيد بن أسلم، وعبد الله بن دينار، ومنصور بن المعتمر، وعبد الرحمن بن القاسم، وأمما سواهم.
وحدّث عنه الأعمش، وابن جريج، وغيرهم من شيوخه، وابن المبارك، وابن مهدىّ، والشافعىّ، وأحمد ابن حنبل، ويحيى بن معين، وإسحاق بن راهويه، وخلق لا ينحصرون.
وكان خلق يحجّون والباعث لهم لقاء ابن عيينة، ويزدحمون عليه فى أيّام الحج.
وكان إماما، حجّة، حافظا، واسع العلم، كبير القدر، حتى قال الشافعىّ، رضى الله تعالى عنه: لولا مالك وسفيان لذهب علم الحجاز. وقال: وجدت أحاديث الأحكام كلّها عند مالك سوى ثلاثين حديثا، ووجدتها كلّها عند ابن عيينة سوى ستّة أحاديث.
وعن ابن مهدىّ: كان ابن عيينة من أعلم الناس بحديث أهل الحجاز.
وعن البخارىّ: سفيان بن عيينة أحفظ من حمّاد بن زيد.
وعن الشافعىّ، رضى الله تعالى عنه: ما رأيت أحدا فيه من آلة العلم ما فى سفيان، وما رأيت أحدا أكفّ عن الفتيا منه، وما رأيت أحدا أعلم بتفسير الحديث منه.