Sandra Annette Bullock a Virginia állambeli Arlingtonban született Helga Meyer német operaénekes és John Bullock amerikai énektanár idősebbik lányaként. A balettozni és énekelni tanuló lány ifjúsága egy részét Németországban töltötte, anyja bajorországi turnéin kisebb statisztaszerepeket osztottak rá, és rendszeresen fellépett a nürnbergi gyerekkórussal, így a nyelvet is kiválóan beszéli. Tizenévesen költöztek vissza Amerikába, ahol az East Carolina University dráma szakára iratkozott be. Mindössze három vizsgája volt hátra, amikor 1986-ban hátat fordított az egyetemnek, és New Yorkba költözött, ahol bárpultosként, pincérként, ruhatárosként dolgozott, meghallgatásokra járt, és off-Broadway színházakban is fellépett.
1989-ben egy este meglátta őt Alan J. Levi rendező, aki kis szerepet adott neki a Bionic Woman című tévéfilmben. Bullock évekig küszködött Hollywoodban, zavarba ejtően gyenge filmekben játszott, még filmdalokat is írt és énekelt. 1993-ban az utolsó pillanatban beugorhatott Sylvester Stallone A pusztító című akciófilmjébe, s bár a szerep nem követelt különösebb színészi képességeket, felfigyelt rá Jan de Bont. A rendező rá osztotta a Féktelenül című akciófilm női főszerepét, jóllehet a producerek szőke és telt idomú hölgyet akartak Keanu Reeves partnerének. A siker láttán aztán megenyhültek, Bullock pedig később így nyilatkozott: „Soha nem gondoltam volna, hogy egy akciófilm fogja megnyitni előttem azokat az ajtókat, amelyeken annyira szerettem volna bejutni.”
A következő években egyik romantikus szerep követte a másikat. 1995-ben az Aludj csak, én álmodom című filmben egy magányos lányt alakított, akire furcsa körülmények között talál rá a szerelem. A mozi óriási siker volt, a színésznőt első alkalommal jelölték Golden Globe-díjra. Ezt követte a John Grisham regényéből készült Ha ölni kell című dráma, melyben Samuel L. Jackson és Matthew McConaughey voltak partnerei, majd olyan nem túl sikeres filmekben is szerepet vállalt, mint a Képtelen képrablás, a Szerelemben, háborúban és a Féktelenül második része. Rajongói azonban nem hagyták cserben, a Majd elválik című újabb romantikus darab – saját alapítású filmcégének első produkciója – már jól szerepelt a mozipénztáraknál. Ezután Nicole Kidman oldalán az Átkozott boszorkák című vígjátékban szórakoztatta a közönséget, majd Ben Affleck partnere volt a Mint a hurrikánban.
Pályafutása egyik legnagyobb sikere a 2000-ben forgatott Beépített szépség című krimi-vígjáték, amelynek öt évvel később folytatása is született. Bullock egy kemény FBI-ügynököt alakított, akinek el kell indulnia egy szépségversenyen, hogy leleplezhessen egy terroristát. A Két hét múlva örökké című komédiában Hugh Grant oldalán ismét a tőle megszokott szerepkörben jelent meg a vásznon, de ekkor már szerette volna drámai oldalát is megmutatni.
2005-ben az Ütközések című filmben egy államügyész rasszista feleségét keltette életre, és már az Oscar-esélyesek között emlegették. 2006-ban ismét Keanu Reevesszel dolgozott együtt a Ház a tónál című drámában, majd a 2007-ben készült Megérzés után két év szünetet tartott. 2009-ben az év egyik legnagyobb kasszasikerében, a Nász-ajánlat című komédiában tért vissza Ryan Reynolds oldalán, és újabb Golden Globe-jelölést kapott. Még abban az évben a valós eseményeket feldolgozó A szív bajnokai című drámában egy fekete fiút örökbe fogadó anyát játszott el, alakításáért előbb Golden Globe-, majd Oscar-díjat kapott a legjobb női főszereplő kategóriában. Bullock azon kevés színésznők egyike, aki ugyanabban az évben – az Ő a megoldás című filmért – a legrosszabb színésznőnek „járó” Arany Málna-díjat, sőt Bradley Cooperrel közösen a legrosszabb páros díját is „elnyerte”. A színésznő nem kis humorérzékről tanúságot téve átvette a citromdíjat, sőt „köszönő” beszédet is mondott.
Sikersorozata 2013-ban folytatódott: előbb a Női szervek című akcióvígjátékban egy FBI-ügynököt formált meg, majd Alfonso Cuarón látványos Gravitáció című sci-fijében az űrben magányosan sodródó űrhajóst játszott, amiért újra Oscar-díjra jelölték. Az elmúlt évtizedben előbb egy politikai tanácsadót formált meg A válságstábban, majd a nagy sikerű Ocean's trilógia folytatásaként mozikba került Ocean's 8 – Az évszázad átverése című krimiben a George Clooney által megformált mestertolvaj húgát játszotta. Legutóbbi filmjei közt van a Megbocsáthatatlan című filmdráma, Az elveszett város című romantikus kalandfilm, amelyben Channing Tatum és Daniel Radcliffe volt a partnere, valamint A gyilkos járat című akciófilm, amelyben Brad Pitt-tel szerepelt együtt. Színészi munkái mellett másfél tucat filmet jegyez producerként, és a Minyonok című animációhoz hangját is adta.
A népszerű színésznő számtalan jótékonysági kezdeményezéshez adta a nevét. 2005 óta csillaga díszíti a hollywoodi Hírességek sétányát. 2010-ben és 2014-ben ő volt a legjobban kereső színésznő, 2010-ben szerepelt a Time magazin legbefolyásosabb személyiségeinek listáján, a People magazin 2015-ben a világ legszebb nőjének választotta, és több alkalommal is a nézők kedvencének bizonyult a People's Choice Awards kiosztásakor. A férfiak szerint szépségén nem fog az idő, magánélete hosszú ideig mégsem alakult szerencsésen, több kapcsolata is zátonyra futott. Bullock két afroamerikai gyermeket fogadott örökbe, akiket 2015-től a tavaly elhunyt, modellből lett fotográfus Bryan Randall-lel neveltek együtt.
