Сандра Буллок родилась в окрестностях Вашингтона в семье немки Хельги Мейер (умерла 4 апреля 2000 года), оперной певицы, и учителя по вокалу из штата Алабама Джона Буллока. У неё также есть младшая сестра Джезин, ставшая юристом по образованию.

Сандра более 12 лет прожила в городе Фюрт, Германия, где изучала балет, а также будучи одарённой хорошим вокалом, исполняла небольшие партии в постановках, в которых участвовала её мать. В Германии Буллок посещала англоязычную школу и была одной из самых успешных учениц.

Сверстники Сандры долгое время смотрели на неё, как на иностранку, не желая принимать в свой круг. Но вскоре Сандра смогла завоевать сердца своих новых знакомых, став главой группы поддержки футбольной команды. Окончив школу, Буллок решила освоить профессию юриста, поступив в университет штата Северная Каролина. Однако через некоторое время она покинула это учебное заведение и отправилась в Нью-Йорк. Мечтам стать фотомоделью и стюардессой не суждено было сбыться, и будущей звезде приходилось подрабатывать официанткой в дешевых барах и ресторанах. Именно там Сандра загорелась идеей стать актрисой и поступила на курсы актёрского мастерства.

Семья Буллок вернулась в Вашингтон, когда Сандра ещё была подростком. В США Сандра закончила актёрские курсы в университете штата Северная Каролина и переехала в Нью-Йорк, где начала карьеру театральной актрисы. Однако Буллок не удалось прижиться в этом городе, и спустя некоторое время она переезжает в Лос-Анджелес, где и достигает успеха как киноактриса.

Сыграв несколько ролей в так называемых «вне-Бродвейских» постановках, получив хорошие отзывы критиков, Сандра была замечена и приглашена играть в телесериалах. Свою первую серьёзную роль Буллок получила в комедийном сериале «Работающая девушка». Однако всерьёз на неё обратили внимание только через три года.

Известность в качестве киноактрисы пришла к Сандре Буллок довольно поздно: до 1993 года самыми известными фильмами с её (сравнительно небольшим) участием были комедия «Любовный напиток № 9» и музыкальная драма известного кинорежиссёра Питера Богдановича «То, что называют любовью», где Буллок играла с такими состоявшимися звёздами кино, как Ривер Феникс и Дермот Малруни.

В 1993 году выходит фантастический боевик «Разрушитель», где Сандра Буллок появляется в одном кадре со Сильвестром Сталлоне и Уэсли Снайпсом. Фильм встретил довольно прохладную реакцию критиков и зрителей, собрав менее 60 миллионов долларов в прокате, однако все единодушно отметили запоминающееся комедийное исполнение Сандрой своей героини — лейтенанта Ленины Хаксли, неуклюжего полицейского из будущего. Участие Сандры в фильме можно назвать случайностью: она вошла в проект за несколько дней до начала съёмок после того, как актриса Лори Петти отказалась от роли. А спустя несколько лет Сталлоне в одном из интервью на вопрос, хотел бы он снова сняться с Буллок, ответил, что у него на неё теперь попросту не хватит денег.

Ситуация действительно изменилась в течение буквально пары лет: в 1994 году Сандра Буллок снова решается на съёмки боевика и на этот раз получает приглашение от голландского кинооператора Яна Де Бонта, работавшего с Полом Верховеном и Мадонной, в свой режиссёрский дебют о пассажирском автобусе, который не может снизить скорость из-за заложенного в его двигатель взрывного механизма.

Фильм «Скорость» становится настоящим прокатным хитом. При скромном бюджете в 30 миллионов долларов фильм собрал по всему миру более 350 миллионов, породил массу подражаний и пародий, сделав из исполнивших в нём главные роли Буллок и Киану Ривза настоящих суперзвёзд. Спустя три года Сандра Буллок примет участие в сиквеле фильма, но «Скорость-2» окажется одним из крупнейших финансовых провалов Голливуда 1997 года.

Однако в промежутках между успехом и неудачей Сандра снимается в нескольких фильмах, закрепивших её статус актрисы, способной в одиночку привлечь зрителя в кинотеатр. Комедия «Пока ты спал» (номинация на «Золотой глобус»), триллер «Сеть» и межрасовая драма «Время убивать» стали хитами не меньшими, чем «Скорость».

После выхода неудачной «Скорости-2» Сандра временно прекращает своё участие в фильмах действия и фокусирует свою карьеру на комедиях и драмах. В качестве успехов конца 90-х годов в её фильмографии можно отметить такие картины, как семейная драма «Проблески надежды» (1998) и комедия «Силы природы» с участием Бена Аффлека. Однако было и несколько финансово неудачных картин, прежде всего комедийная драма об алкоголизме «28 дней» и мистическая комедия «Практическая магия», которые не смогли окупиться в прокате.

С выходом в 2000 году фильма «Мисс Конгениальность» карьере Сандры Буллок придаётся новый импульс: в этой комедии актриса снова успешно доказала свои комедийные таланты. Фильм собрал в мировом прокате более 200 млн долларов, а сама Буллок получила номинацию на премию «Золотой глобус» за роль Грэйси Харт. После «Мисс Конгениальности» Сандра, у которой к тому времени возникла своя продюсерская компания, сыграла в разной степени успешных фильмах «Отсчёт убийств», «Божественные тайны сестричек Я-Я», а также кассовом хите «Любовь с уведомлением» (с участием Хью Гранта, сборы 200 млн долларов). После выхода не слишком удачного как в прокатном, так и в критическом смысле продолжения истории Грэйси Харт «Мисс Конгениальность 2: Прекрасна и опасна» (2005) Сандра Буллок сделала заявление, что отныне в её карьере будут преобладать малобюджетные независимые картины.

Первой такой лентой стала межрасовая драма «Столкновение» режиссёра Пола Хэггиса. Картина, снятая с крошечным бюджетом в 6,5 миллиона долларов, стала настоящим хитом проката и принесла создателям три премии «Оскар», в том числе и как лучшая картина 2005 года. Сандра сыграла в фильме небольшую роль невротичной домохозяйки, которая вместе с мужем подвергается нападению афроамериканских автомобильных угонщиков. Игра актрисы, как и всех остальных участников этой кинодрамы, получила высшие оценки критиков, и актёрский ансамбль получил несколько коллективных призов на разных киносмотрах и в гильдиях кинодеятелей.

Коммерчески успешным фильмом с участием Сандры Буллок стала фантастическая драма «Дом у озера». В этой картине Сандра воссоединилась со своим партнёром двенадцатилетней давности Киану Ривзом.

В рамках Венецианского кинофестиваля 2006 года была показана новая картина с участием Сандры Буллок — «Дурная слава», повествующая о писателе Трумане Капоте в период написания им своего знаменитого романа In Cold Blood. Вместе с Буллок в фильме играет звёздный состав: Сигурни Уивер, Гвинет Пэлтроу, Дэниел Крэйг, Изабелла Росселлини и другие. Сама Буллок исполнила роль писательницы Харпер Ли.

В 2007 год произошла премьера мистического триллера «Предчувствие», где Сандра сыграла с популярным телевизионным актёром Джулианом Макмэхоном. Фильм рассказывает об одной неделе жизни домохозяйки Линды (Сандра Буллок), у которой предчувствие чего-то очень плохого только усиливается с каждым днём, а события, которые этому способствуют, не соблюдают свою хронологию.

В 2009 году вышла комедия «Предложение», принёсшая Буллок ещё одну номинацию на «Золотой глобус». Героиня Сандры — топ-менеджер компании, у которой возникают тривиальные проблемы с визой США. И единственный выход остаться «у руля» — выйти замуж за своего ассистента (Райан Рейнольдс).

На 82-ой церемонии наград Киноакадемии Сандра Буллок получила «Оскар» за роль в фильме «Невидимая сторона» в номинации «Лучшая актриса». Примечательно, что за день до получения «Оскара» Буллок удостоилась премии «Золотая малина» как «Худшая актриса» 2009 года за фильм «Всё о Стиве». Это сделало её первой актрисой, получившей «Оскар» и «Золотую малину» за один год.

В 2013 году вышло сразу два фильма с Сандрой Буллок в главной роли — «Копы в юбках» и «Гравитация». В отличие от первого фильма, где актриса сыграла комедийную роль спецагента Сару, во втором она исполнила серьёзную драматическую роль астронавта Райан Стоун, оказавшейся в безвыходном положении в открытом космосе после столкновения корабля с космическим мусором. Критики уже назвали «Гравитацию» одним из лучших фильмов 2013 года, а работу Буллок — сильнейшей в её карьере. За роль актриса была номинирована на «Оскар», «Золотой глобус» и BAFTA.

Сандра Буллок является обладательницей звезды на Голливудской аллее славы.

Свободно говорит на немецком языке. Дважды жертвовала 1 миллион долларов американскому Красному Кресту.

Долгое время ездила на Porsche, в 2004 году пересела на Prius.

В 2005 году Буллок вышла замуж за телеведущего и производителя мотоциклов Джесси Джеймса. В январе 2010 года пара усыновила мальчика Луиса Бардо. После получения «Оскара» в марте 2010 года в прессу просочились слухи об изменах Джесси, которые он сам потом подтвердил. В апреле 2010 года Сандра подала на развод, процесс которого официально был завершён в июне 2010 года. В тот же момент Сандра подала ходатайство по самостоятельному воспитанию приёмного сына Луиса.