Dominique Sanda a été révélée par Robert Bresson qui lui offre son premier rôle (elle était auparavant mannequin) avec
Une femme douce. Sa carrière a ensuite embrassé des rôles de cinéma, de télévision et de théâtre, en France, en Italie et aux Etats-Unis notamment.
Peu après le film avec Bresson, elle part pour l'Italie où elle enchaîne toute une série de grands films : Le Conformiste de Bernardo Bertolucci (1970), Le Jardin des Finzi-Contini de Vittorio De Sica (1971), L'héritage de Mauro Bolognini (1975) pour lequel elle obtiendra le prix d'interprétation féminine en 1976 au Festival de Cannes où sera présenté hors compétition également
1900 de Bertolucci avec
Robert de Niro et Gérard Depardieu, Au-delà du bien et du mal de Liliana Cavani, la rencontre de Friedrich Nietzsche et Lou Andreas-Salomé qu'elle incarne (1977), tout en participant brièvement à Violence & passion de Luchino Visconti (1974).
Ses deux premiers films italiens lui ouvrent les portes d'une carrière internationale et elle s'impose au cours des années 70 comme l'une des actrices européennes les plus rayonnantes. Elle tourne parallèlement plusieurs films américains comme Le Piège (1973), de John Huston avec Paul Newman et James Mason, L'Impossible objet de John Frankenheimer avec Alan Bates, ou bien Les Survivants de la fin du monde, de Jack Smight.
Curieusement, en France, le cinéma a du mal à lui offrir une vraie place ; elle tourne toutefois plusieurs films remarqués comme Navire night de Marguerite Duras (1977), Le voyage en douce de Michel Deville (1979), Une chambre en ville de Jacques Demy (1983), Le matelot 512 de René Allio (1984).
Dans les années 80, elle tournera trois films sous la direction de Benoît Jacquot, alors son compagnon, qui ne feront pas date. Au tournant des années 90, elle tourne alors pour la télévision plusieurs coproductions internationales de prestige comme Le train de Lénine avec Ben Kingsley ou Achille Lauro avec Burt Lancaster. Elle commence à être aussi appelée par le cinéma sud-américain Guerriers et captives ou Garaje Olimpo. Elle s'exilera dans la foulée à Faro José Ignacio (Uruguay) où elle est mariée à un philosophe d'origine roumaine.
Elle refera une brève apparition au début des années 2000 en France dans Les rivières pourpres de Matthieu Kassovitz avec Jean Reno et Vincent Cassel, après Valse d'amour de Dino Risi avec Vittorio Gassman en Italie (1992) et Les enfants de la honte (Nobody's Children) aux États-Unis avec Ann-Margret (1994).
Elle reçoit en 1976 le prix d'interprétation féminine à Cannes pour L'Héritage de Mauro Bolognini.