Filha de uma cantora de ópera, estudou canto desde pequena. Decidida a se tornar atriz, se matriculou no curso de Teatro na Universidade da Carolina mas não chegou a concluí-lo. Em 1985, resolveu partir para Nova York, onde por um bom período dividiu seu tempo entre as aulas de teatro e o emprego como garçonete.
Foi notada pela crítica especializada ao atuar na peça teatral "No Time Flat", em 1988. Dois anos depois, entrou para o elenco da série de TV baseada no filme
Uma Secretária de Futuro. Após o cancelamento da série se mudou para Los Angeles, onde teve participações em filmes menores, como
Poção do Amor nº 9 (1992) e
Inferno Selvagem (1993).
Foi em 1993 que a carreira de Sandra Bullock começou a decolar. A atriz estrelou
O Demolidor ao lado de
Sylvester Stallone e também o suspense
O Silêncio do Lago, ambos bem recebidos pelo público. No ano seguinte ela estouraria de vez com
Velocidade Máxima, sucesso que alçou sua carreira e também do colega de cena
Keanu Reeves.
Em 1995, lançou a comédia romântica
Enquanto Você Dormia, que criou em torno de si a aura de nova namoradinha da América. O sucesso rendeu outros filmes de tom romântico, como
Corações Roubados (1996),
No Amor e na Guerra (1996),
Quando o Amor Acontece (1998) e
Forças do Destino (1999). Outro filme leve por ela estrelado foi
Da Magia à Sedução (1998), onde contracenou com
Nicole Kidman.
Em meio aos filmes românticos, Sandra teve bons desempenhos no suspense tecnológico
A Rede (1995) e no drama de tribunal
Tempo de Matar (1996). Seu primeiro revés veio com
Velocidade Máxima 2 (1997), fracasso de público e de crítica.
Em 2000, a atriz tenta dar uma guinada na carreira ao interpretar uma alcóolatra em
28 Dias, seu papel mais dramático até então. No mesmo ano estrela a comédia
Miss Simpatia, um dos maiores sucessos de sua carreira, que ganha continuação cinco anos depois.
Em 2004 ela novamente flerta com o drama, em uma pequena participação em
Crash - No Limite, vencedor do Oscar de melhor filme. Em
A Casa do Lago (2006) ela retoma a parceria com Keanu Reeves, em mais um filme de fundo romântico.
Após estrelar o suspense
Premonições (2007), Sandra resolveu ficar afastada do cinema por dois anos. Retorna emendando dois sucessos no mesmo ano: a comédia
A Proposta (2009) e o drama
Um Sonho Possível, que lhe rende o Oscar de melhor atriz.
No auge da carreira, ela passa a ser mais seletiva com os projetos que recebe. Fica novamente dois anos sem atuar, até lançar o drama
Tão Forte e Tão Perto (2011), indicado ao Oscar de melhor filme, pelo qual tem um dos melhores desempenhos da carreira.