Sandra 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.