Nasce a Viareggio il 5 giugno 1946.

Acquista notorietà ancora giovanissima, attraverso concorsi di bellezza, ed appena quindicenne interpreta due ruoli minori in Gioventù di notte di Mario Sequi e  ne Il federale di Luciano Salce. Ma è soprattutto Pietro Germi che la lancia nel mondo del cinema con Divorzio all’italiana del 1961 e quindi con Sedotta e abbandonata del 1964; già in questi film l’attrice evidenzia alcune sue caratteristiche che rimarranno una costante nelle sue interpretazioni: una bellezza semplice, ma sensuale, un’apparenza ingenua dai risvolti ora tragici ora umoristici, un modello di donna oggetto del desiderio maschile, sottomessa, fragile, arrendevole ma altrettanto determinata, sessualmente indipendente, ironica e sensibile; la giovane attrice porta sé stessa sullo schermo: una ragazzina irrequieta ma determinata, una quindicenne che, avendo deciso di far colpo sul cantante Gino Paoli, con lui stabilisce una relazione che durerà otto anni, sino al 1968, e da cui avrà una figlia.  Seguono altri film con importanti registi, La bella di Lodi (1963) di Mario Missiroli, Io la conoscevo bene (1965) di Antonio Pietrangeli, L’amante di gramigna (1968) di Carlo Lizzani. Con le sue interpretazioni diventa una delle figure più significative del Cinema, portando sullo schermo personaggi e vicende della società e del costume italiano del periodo del boom economico; nei film di Germi è la società meridionale, e siciliana in particolare, con le sue arcaiche tradizioni a fornire lo spunto ad una critica, ora ironica, ora sarcastica,  sull'ipocrisia dei costumi locali, soprattutto in ambito familiare e sessuale; nel film di Pietrangeli la giovane protagonista, aspirante attrice, ben lungi dall'apparire un personaggio limitato nella sua estrazione di ingenua e semplice provinciale, oltretutto sovrastata da attori del calibro di Tognazzi, Manfredi, Salerno, mostra tutta la complessità e drammaticità del personaggio, oggetto delle attenzioni di uomini volgari e svilita dall'infido mondo dello spettacolo, e drammaticamente sola. 
Nel 1974 è Luciana, la donna che divide e unisce tre amici in C’eravamo tanto amati di Ettore Scola, figura emblematica di un momento sociale in cui si sovrappongono speranze, ideali, disillusioni; altre convincenti interpretazioni l’attrice le offre in Delitto d’amore (1974) di Luigi Comencini, in cui è l’operaia meridionale vittima della fabbrica dove ha conosciuto l’amore, in Novecento (1976) di Bernardo Bertolucci, ove è  la moglie attivista e politicizzata del contadino Olmo, in Quelle strane occasioni (1976). E’ un periodo professionalmente molto fecondo questo per l’attrice, che porta sullo schermo personaggi socialmente impegnati, e che riesce a conciliare il suo lavoro con un momento di vita privata molto complicato: nel 1972 sposa il medico Nicky Pende, da cui si separerà dopo appena quattro anni, dopo aver avuto un secondo figlio; attraversa quindi un periodo sentimentalmente molto instabile, fatto di brevi relazioni con molti uomini: “sono stata con una ventina di uomini. Ne ho amati un po’ di più…”, come dichiarerà Lei stessa nel 2005 ricevendo a Venezia il Leone d’oro alla carriera. In questo periodo la Sandrelli decide di interpretare ruoli in film erotici, quasi a portare sullo schermo l’instabilità della propria vita sentimentale: La chiave di Tinto Brass nel 1983, Una donna allo specchio di Paolo Quaregna nel 1984, L’attenzione di Giovanni Soldati nel 1985; ed è proprio con Giovanni Soldati che l’attrice raggiunge finalmente una duratura stabilità nella sua vita privata. Altre due sporadiche interpretazioni in un contesto erotico saranno quelle quelle in Prosciutto Prosciutto (1992), ove è una donna dalla forte carica trasgressiva, e in Volaverunt (1999),  entrambi diretti da Bigas Luna.

Dopo il breve periodo “erotico” la Sandrelli torna a recitare in film più tradizionali tra cui Mi faccia causa (1984) di Steno, Segreti segreti (1985) di Giuseppe Bertolucci, Speriamo che sia femmina (1986) di Mario Monicelli, La famiglia (1987) di Ettore Scola, Mignon è partita (1988) di Francesca Archibugi, per il quale le viene assegnato il David di Donatello 1989 come miglior attrice protagonista.  E ancora Per amore solo per amore (1993) di Giovanni Veronesi, Con gli occhi chiusi (1994) di Francesca Archibugi, Matrimoni (1998) di Cristina Comencini, La cena (1998) di Ettore Scola, L'ultimo bacio (2001) di Gabriele Muccino e Figli-Hijos (2001) di Marco Bechis; l'attrice, ormai matura, ha saputo in questi interpretare con grande sensibilità e naturalezza anche ruoli di secondo piano, spesso nelle vesti di una "madre", che le hanno valso, con gli ultimi due film citati, i David di Donatello 2001 e 2002 come migliore attrice non protagonista.