Née d'une mère cantatrice et d'un père professeur de chant, Sandra Bullock passe la majeure partie de son enfance en Europe, accompagnant ses parents en tournée. Elle débute comme choriste, mais s'oriente bientôt vers une carrière d'actrice. Après des études à l'Université de Caroline du Nord, elle se produit dans des spectacles off-Broadway. De la fin des années 80 au début des années 90, le cinéma ne lui offre que peu d'opportunités.

Après avoir joué le rôle-titre de La Disparue (1992), elle accède à la consécration en 1994 en apportant une touche de charme et d'humour à deux grosses productions hollywoodiennes : Demolition man aux côtés de Sylvester Stallone et Speed, où elle a pour partenaire de jeu Keanu Reeves. Contrairement à ce dernier, elle reprend du service en 1997 dans Speed 2 : cap sur le danger, qui ne remporte pas le succès escompté. Mais elle retrouve les faveurs du public avec des œuvres plus légères comme Les Ensorceleuses (1998) ou plus sombres comme 28 jours en sursis (2000), où elle incarne une alcoolique en voie de guérison.

Forte de cette expérience d'actrice, elle crée sa propre société de production, Fortis Films, liée par des accords privilégiés avec la Warner. Elle peut ainsi s'essayer à la mise en scène - le moyen métrage Making sandwiches, dont elle écrit également le scénario - et produire Ainsi va la vie (1998), où elle campe une célibataire fraîchement séparée de son mari. Souvent associée au genre de la comédie romantique (L'Amour à tout prix, Le Temps d'aimer, Un vent de folie, L'Amour sans préavis, La Proposition, etc.), Sandra Bullock aime également composer des femmes affrontant tout type de danger : un terroriste informatique (Traque sur Internet), un membre du Ku Klux Klan (Le Droit de tuer ?) ou deux étudiants particulièrement retors (Calculs meurtriers). Elle va même jusqu'à se transformer en véritable garçon manqué, enquêtrice de choc, pour jouer les Miss détective (2001) et Miss FBI (2005).

En 2005, la comédienne est à l'affiche du drame choral oscarisé Collision de Paul Haggis. L'année suivante, douze ans après Speed, elle retrouve Keanu Reeves pour la romance épistolaire Entre deux rives. 2010 marque la consécration de sa carrière : elle reçoit l'Oscar de la Meilleure actrice pour sa performance de mère d'adoption dans The Blind Side qui cartonne au box-office américain. Ironie du sort, la même année, elle reçoit deux Razzies awards pour sa performance dans All About Steve, ce qui fait d'elle l'unique star à avoir parallèlement remporté le prix de la meilleure et de la pire actrice ! Mais cela n'entrave en rien sa popularité : selon différentes études, sa simplicité en fait l'une des personnalités préférées des américains.

En 2012, Sandra Bullock poursuit son ascension dans un rôle au plus près des préoccupations américaines : elle incarne la mère d'un enfant dont le père est mort dans les attentats du 11 septembre dans Extrêmement fort et incroyablement près. Elle est également à l'affiche d'un film en 3D pour la première fois de sa carrière, puisqu'elle joue, aux côtés de George Clooney, dans le thriller de science fiction Gravity - 3D, sous la direction d'Alfonso Cuarón (Les Fils de l'homme).Ce survival dans l'espace impressionne aussi bien la critique que le public, et remporte 7 Oscars, dont celui de la meilleure réalisation.

En 2018, elle est à la tête d'une bande de braqueuses dans Ocean's 8, variation féminine du Ocean's Eleven de Steven Soderbergh. Elle est entourée d'un casting quatre étoiles composé notamment de Cate Blanchett, Anne Hathaway, Sarah Paulson et Rihanna. Elle créé également l'événement sur Netflix avec Bird Box, qui plonge le spectateur dans un monde post-apocalyptique où se priver de la vue est le seul moyen de survivre. Le long-métrage demeure à ce jour l'un des films les plus vus de la plateforme.

L'actrice revient sur Netflix avec Impardonnable, où elle campe une femme sortie de prison en quête de rédemption. En 2022, elle renoue avec le grand écran avec la comédie d'aventure et d'action Le Secret de la cité perdue. Propulsée en pleine jungle après avoir été kidnappée, elle doit mettre la main sur un trésor aux côtés de Channing Tatum.