Née à Valladolid, Inès Sastre passe sa jeunesse à Madrid. Dans un premier temps destinée au mannequinat, elle est très vite repérée dans une publicité par le réalisateur espagnol Carlos Saura. A tout juste 13 ans, elle obtient ainsi son premier rôle dans El Dorado, en sélection officielle du festival de Cannes de 1988, où elle donne la réplique à Lambert Wilson. Deux ans plus tard, elle interprète le personnage de Béatrice, une adolescente en quête de liberté dans La Fuite au Paradis d'Ettore Pasculli. Cette soif de liberté, l’actrice l’illustre dès le début de sa carrière, n’ayant de cesse d’élargir son champ d’horizon.

Alors à l’apogée de sa profession de mannequin à l’international, elle succède à Isabella Rossellini comme égérie pour Lancôme. Loin de s’y suffire et forte d’une sensibilité littéraire, elle étudie les Lettres Modernes et la philologie à la Sorbonne. Une inclination pour les Lettres qui ne se dément pas lorsqu’elle accepte de jouer dans Par-delà les nuages, réalisé par Michelangelo Antonioni et assisté par Wim Wenders. Elle y campe le rôle de Carmen, une jeune femme éprise d’un amour ardent qui n’aboutit pas.

Après une apparition en parangon d’elle même dans Sabrina de Sydney Pollack, elle témoigne une fois de plus son attachement pour les maîtres du cinéma italien dans Le Temoin du marie de Pupi Avati. Elle y incarne une femme tiraillée par un mariage raté et le renoncement à celui qu’elle aime. Dès lors, elle attribue une importance considérable à son métier d’actrice, choisissant ses rôles avec goût et minutie.

Sensible aux rôles à double tranchant, elle se fait courtisane manipulatrice dans Vidocq de Pitof aux côtés de Gérard Depardieu et de Guillaume Canet. La même année, elle est de nouveau à l’affiche d’un film français dans Vercingétorix : la légende du druide roi de Jacques Dorfmann. Dans cette fresque épique, elle joue l’épouse aimante de Vercingétorix, Epona, donnant ainsi la réplique à Christophe Lambert.

En 2005, elle fait un retour remarqué sous la direction d’Andy Garcia dans Adieu Cuba où elle tient la vedette avec Dustin Hoffman, Tomás Milian et Bill Murray. Abonnée aux rôles de femmes déchirées, elle interprète Aurora, une femme écartelée entre ses sentiments pour son pays et l’homme qui l’a conquise. Deux ans plus tard, soit neuf ans après Le Temoin du marie, elle tourne pour la seconde fois avec Pupi Avati, dans La cena per farli conoscere. Le film n’est pas distribué en France.

Alexandre Jourdain