Née le 26 juillet 1964 en Virginie aux Etats-Unis, Sandra Bullock vient au monde dans une famille d’artistes. Sa mère est une cantatrice allemande et son père est professeur de chant américain. Elle a une soeur cadette prénommée Gesine. Elle passe une grande partie de son enfance à Nuremberg, en Allemagne. Lorsqu’elle est adolescente, elle emménage avec sa famille dans la région de Washington. Touchée par le monde du spectacle grâce à sa mère, la jeune fille se passionne pour le théâtre et part à New York réaliser son rêve.
Les débuts sont difficiles pour l'aspirante actrice qui enchaîne cours de comédie et les petits boulots. Elle décroche des petits rôles jusqu’en 1993 où elle obtient son premier vrai rôle, celui du lieutenant Lenina Huxley, aux côtés de Sylvester Stallone dans Demolition Man. En 1994, elle est révélée au grand public grâce au film Speed dans lequel elle donne la réplique à Keanu Reeves.
Dès lors, Sandra Bullock attire l’attention d’Hollywood, et enchaîne les comédies; L’amour à tout prix (1995), Ainsi va la vie (1998), L’amour sans préavis (2002) ou encore La Proposition (2009). L’actrice alterne les registres et endosse des rôles plus sombres dans Collision, Entre deux rives, ou Premonition. Sandra Bullock remporte l’Oscar de la meilleure actrice en 2010 pour son rôle dans The Blind Side. Elle joue également dans plusieurs blockbusters dont Gravity (2013) et prête sa voix au personnage de Scarlet dans le film d’animation Les Minions (2015).
En 2018, après trois ans d’absence, elle fait un retour remarqué sur le devant de la scène à l'affiche d'Ocean's 8, aux côtés de Cate Blanchett et Anne Hathaway notamment.
En mars 2022, elle partage l’affiche du film Le secret de la cité perdue avec Channing Tatum et pendant la promotion du film, elle annonce vouloir mettre sa carrière entre parenthèses.
Côté vie privée, en juillet 2005, Sandra Bullock épouse Jesse G. Games. Mais leur relation prend fin cinq ans plus tard quand l'actrice découvre son infidélité avec une actrice de films X. Leur divorce est prononcé en juin 2010. Sandra Bullock se réfugie alors au Texas. L'actrice est maman de deux enfants : elle adopte en août 2010 un bébé de huit mois prénommé Louis et en novembre 2015, elle devient à nouveau maman en adoptant une petite fille, Laila, âgée de 3 ans et demi avec son compagnon, le photographe Bryan Randall, qu'elle rencontre quelques mois plus tôt lors d'une fête d'anniversaire organisée pour son fils. Ce dernier décède le 5 août 2023 à l'âge de 57 ans après s'être battu trois ans contre la maladie de Charcot.