Sulev Vahtre sündis Laiuse vallas. Lõpetas 1952. aastal Tartu Riikliku Ülikooli. Kaitses 1955. aastal kandidaadiväitekirja teemal "Liivimaa Noorem riimkroonika ajalooallikana" ning 1970. aastal doktoriväitekirja teemal "Hingeloendused Eestimaa kubermangus (1782-1858) ja nende andmed talurahva ajaloo allikana".
1955. aastal sai Sulev Vahtrest Tartu Ülikooli NSV Liidu ajaloo kateedri õppejõud, 1974. aastast professor. Tänu muutunud oludele avanes vöimalus taastada 1. aprillist 1989 iseseisev Eesti ajaloo kateeder, mille juhatajaks ta oli aastani 1993, kui temast sai emeriitprofessor. Olnud peamisi nõukogude okupatsiooni ajal ajaloo osakonnas domineerinud rahvusliku meele ja opositsioonivaimu kujundajaid ja püstihoidjaid.
Oluline oli tema roll Eesti taasiseseisvumisliikumises ja riikluse taastamisel: ta oli Eesti Kongressi liige (1990-1992) ja Põhiseaduse Assamblee liige (1991-92). Sulev Vahtre on uurinud Eesti keskaegseid kroonikaid, talurahva ajalugu, ajaloolist demograafiat ja kultuurilugu. 2004 pälvis Eesti Vabariigi teaduse elutööpreemia. Tartu aukodanik aastast 2000.