Sandra Bullock, née d'une cantatrice allemande et d'un père américain professeur de chant, passe la grande partie de son enfance en Allemagne et en Europe où elle suit les déplacements professionnels de sa mère. Elle participe à des petits rôles de gitanes, en fond de scène, ou comme choriste avec sa soeur.
Sandra parle couramment allemand mais affirme toutefois clairement préférer s'exprimer en anglais.
Décidée à devenir actrice une fois rentrée aux États-Unis, elle se spécialise dans le théâtre à l'East Carolina University et se rend à New York pour prendre part à des spectacles off-Broadway comme "No Time Flat". On la voit également dans de toutes petites productions cinéma, habituellement balayées de manière très pudique de sa filmographie officielle. Son premier titre de gloire est de reprendre le rôle de Melanie Griffith dans la série télé Working Girl, spin-off du film du même titre. Mais Sandra n'y trouve guère son compte et déménage à Los Angeles.
Au début des années 1990, le cinéma lui offre peu d'opportunités et elle ne joue que de petits rôles dans une série de films à petits budgets. En 1993, elle décrochant le rôle du lieutenant Lenina Huxley, personnage principal féminin dans Demolition Man, aux côtés de Sylvester Stallone et Wesley Snipes.
Mais c'est en 1994, à travers le succès du blockbuster de l'été
Speed que sa carrière décolle et qu'elle fut révélée au grand public. Elle y incarne, aux côtés de Keanu Reeves, une conductrice de bus improvisée aux prises avec un dangereux terroriste (Dennis Hopper) menaçant de faire exploser le véhicule si celui-ci ralentit.
Bullock est promue vedette du jour au lendemain, et elle se retrouve rapidement dans diverses grosses productions, comme dans la comédie romantique L'Amour à tout prix et le thriller Traque sur Internet avant d'assurer la vedette d'Un vent de folie avec Ben Affleck ou de donner la réplique à Nicole Kidman dans les Ensorceleuses.
Nominée aux Golden Globes pour Miss Détective, elle continue à tourner dans grand nombre de succès dont certains qu'elle produisit. En 2002, sa production L'Amour sans préavis, dont elle partage la vedette avec Hugh Grant, rapporta plus de 200 millions de dollars américains.
Elle prend part en 2004 au casting du drame à succès
Collision, récompensé aux Screen Actors Guild Awards avant de retrouver l'année suivante Keanu Reeves pour le roman épistolaire Entre deux rives.
Bullock revient au genre qui l'a fait connaitre avec La Proposition, dont elle est la productrice exécutive : le film a rapporté plus de 160 millions de dollars américains au box-office américain et lui vaut une nomination aux Golden Globes dans la catégorie meilleure actrice dans un film musical ou une comédie.
Elle remporte le 7 mars 2010 l'Oscar de la meilleure actrice pour son rôle dans le film The Blind Side.