Enfant, Susan est élevée au sein d'une famille très conservatrice. Elle est scolarisée dans un établissement catholique et se fait remarquer par son attitude effrontée et insolente. Elle obtient un diplôme à la Catholic University of America Drama School avant de commencer sa carrière, entre le mannequinat et des petits rôles au théâtre et à la télévision.
Elle fait ses débuts au cinéma en 1970 dans Joe, c'est aussi l'Amérique (Joe) de John G. Avildsen. Mais c'est dans La Kermesse des aigles, où elle donne la réplique à Robert Redford, et dans le film culte The Rocky Horror Picture Show, dans lequel elle campe Janet Weiss, une jeune femme naïve, qu'elle se fait connaître.
Elle reçoit sa première nomination à l'Oscar de la meilleure actrice en 1982 pour
Atlantic City. Elle côtoie Shirley MacLaine dans L'Amour à quatre mains en 1980, Gena Rowlands dans Tempest ou Catherine Deneuve en scènes lesbiennes dans Les Prédateurs (1983) de Tony Scott avant de cartonner sur le grand écran dans la comédie fantastique Les Sorcières d'Eastwick en 1988 aux côtés de Jack Nicholson, Cher et Michelle Pfeiffer, et la même année dans Duo à trois avec Kevin Costner.
Après le drame Une saison blanche et sèche (1989) avec Marlon Brando et Donald Sutherland, elle acquiert une grande notoriété en campant la téméraire Louise Sawyer dans le road movie culte de Ridley Scott, Thelma et Louise. Avec Geena Davis, elle est nominée à l'Oscar de la meilleure actrice et reçoit de nombreuses récompenses internationales. Après une nomination l'année suivante pour
Lorenzo (1992) et deux ans plus tard pour son rôle d'avocate au grand coeur dans le thriller
Le Client (1994), elle campe la mère de Winona Ryder, Kirsten Dunst, Trini Alvarado et Claire Danes dans Les Quatre Filles du docteur March. En 1996, la comédienne est récompensée par l'Oscar de la meilleure actrice pour son rôle d'une religieuse amenant un condamné à mort à la rédemption dans La Dernière Marche (1995), réalisé par son compagnon, Tim Robbins.
Actrice confirmée, elle donne la réplique à de jeunes acteurs d'Hollywood, par exemple en jouant la mère de Reese Witherspoon dans L'Heure magique (1997), de la jeune Jena Malone dans Ma meilleure ennemie (1998) face à Julia Roberts, de Natalie Portman dans Ma mère, moi et ma mère (1999), d'Erika Christensen dans Sex fans des sixties (2001) ou encore de Kieran Culkin et de Ryan Phillippe dans Igby (2002) de Burr Steers.
Elle campe désormais de nombreux seconds rôles importants, comme dans Irrésistible Alfie (2004) aux côtés de Jude Law, dans Shall We Dance ? (2004) avec Richard Gere et Jennifer Lopez ou encore dans Rencontres à Elizabethtown (2005) où elle est la mère au d'Orlando Bloom.
Depuis 2002, elle a son étoile sur le Hollywood Walk of Fame au 6801 Hollywood Blvd. Honorée par le festival international du film de Marrakech au Maroc en 2007.
Le 15 octobre 2010, Susan Sarandon a été nommée Ambassadrice de bonne volonté de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO).