Zdeněk Sýkora se celý život zabývá malbou. Od realistických krajinářských záběrů dospívá geometrizací přírodních tvarů k čistší rozptýlené barevnosti a prostorové redukci. Tento formotvorný proces vrcholí cyklem Zahrad (od roku 1958), inspirovaným tvorbou H. Matisse, kde je krajina již jen impulsem k volnému pojednání výrazových kvalit osvobozené barevné skvrny. V dalším díle dochází k redukci výrazových prostředků na barevně plošné geometrizované útvary, což se projevuje ve stále zjednodušenějších kompozicích. Sýkora patří k prvním umělcům, kteří ve své tvorbě začali uplatňovat motivy konstruktivismu. Na počátku šedesátých let začínají vznikat první obrazy „struktur“. Klíčovým dílem přechodu k abstrakci je Šedá struktura (1962-3), v němž je již plocha organizována do podoby rastru coby pole variací vzájemných poloh jednotlivých geometrických elementů. Sýkora vychází z předem definované struktury a snaží se potom o vyčerpání jejích kombinatorických možností. Dochází například k opakování téhož tvaru, zatímco jeho barevné uspořádání vzhledem k sousedním prvkům je neopakovatelné.
Jako jeden z prvních českých tvůrců vůbec začal Sýkora roku 1964 používat počítač jakožto prostředek poskytující jinak nedosažitelný rozsah variací a umožňující objektivizaci kombinatorických postupů, čímž se zařadil ke světovým průkopníkům computerového umění. Sýkorovo dílo zkoumá vztahy systematičnosti a náhody. Ve spolupráci s matematikem Jaroslavem Blažkem a s využitím počítače LPG-30 vytváří programovatelné struktury, jejichž cílem je kombinatorické vyčerpání všech možných vzájemných pozic několika základních elementů. Zatímco předešlé obrazy struktur byly ještě tvořeny intuitivně a byly vedeny snahou, aby se žádná z kombinací v obraze neopakovala, při práci s počítačem bylo nutné přijmout důslednou racionální logiku. Počítač je tedy využit k provedení předem definovaného konceptu.
V roce 1973 začínají vznikat obrazy makrostruktur, které vznikly zvětšením půlkruhových elementů. Vznikající obrysové linie, vytyčující hranici mezi černými a bílými elementy na těchto obrazech, se staly podnětem ke vzniku liniových obrazů, jejichž tvorbě se Sýkora věnuje dosud. V cyklech linií dochází ke zrušení vazby na vymezující mříž rastru, obraz se stává pouhým výsekem z celku. Výchozí souřadnice každé linie, jejich šířka, průběh a barva linií jsou určovány náhodně, hodem kostkou či generováním náhodných čísel pomocí počítače. Barevné linie existují na bílém pozadí, symbolizujícím prázdno jakožto přirozené prostředí pro rozehrání náhodného liniového bujení.
Koncem 70. let dochází v Sýkorově díle k částečnému návratu ke krajině; paralelně s obrazy struktur a linií vytváří malby využívající zemité barvy nanášené v silných vrstvách, v nichž rozvíjí možnosti malby započaté na konci 50. let. Na přelomu 80. a 90. let takto vzniká cyklus Skvrny. Sýkora je také autorem několika realizací v architektuře, například řešení vstupní haly firmy Selmoni AG v Basileji či obrazy Létání A a Létání B (vycházejících z obrazů Linie č.233 a Linie č.234) pro prostor vstupní haly budovy Národního integrovaného střediska řízení letového provozu České republiky v Jenči u Prahy.
Sýkorovo dílo, využívající principu řízené náhody, je vykládáno jako analogické fungování přírodních organismů a umělec sám se celý život nechává inspirovat vědeckým zkoumáním, například teorií chaosu.
„Jsou situace a jevy nepředpokládané a nevysvětlitelné, které z nouze definujeme jako náhodné. Zdá se paradoxní, že právě v exaktních vědách nabyl pojem náhodnosti takové plasticity. Náhodnost podmiňuje příliš mnoho situací. Jsme nuceni jí prokazovat stále více důvěry. Každá náhodnost je vázána na elementy, které jsou schopné vytvářet vztahy. Není tedy náhody „o sobě“, jsou jen velice složité proměnlivé vztahy. Je asi nějaký „vyšší řád“, který nemůžeme pochopit, ale o to silněji jej můžeme cítit. Myslím, že vztah chápání – cítění je rozhodující pro pocit svobody.“ Zdeněk Sýkora, 1985