Settima di undici figli, il padre era un operaio e la madre una testimone di Geova. Approda al cinema per circostanze fortuite. Fa infatti, quindicenne, una piccola apparizione nel film Il tempo delle mele 2 (1982), grazie al fatto che del casting delle comparse si occupa il padre di una sua compagna di scuola.
In seguito, accompagnando sua sorella a un provino, conosce il regista Maurice Pialat, che la sceglie come protagonista per un film che non verrà poi realizzato. Pialat però non la dimentica e la chiama per "Ai nostri amori", un film che le frutta un Premio César come miglior attrice emergente. Il film le procura grande notorietà in patria, ma è solo l'inizio di una brillante carriera.
Nel 1986 vince un altro César per il film "Senza tetto né legge" di Agnès Varda, Leone d'oro al Festival di Venezia. L'anno dopo lavora ancora con Pialat nella pellicola "Sotto il sole di Satana", con Gérard Depardieu, Palma d'oro al Festival di Cannes, ma il pubblico fischia il regista durante la premiazione.
Nel 1990 viene scelta da Francesca Archibugi per il film "Verso sera". L'anno dopo è protagonista di "Sotto il cielo di Parigi", il primo e ultimo film di Michel Béna, morto di AIDS prima dell'uscita della pellicola. Nel film Sandrine è coinvolta in un triangolo amoroso tra lei, il suo compagno di stanza omosessuale e un tizio conosciuto in piscina.
Nel 1992, sul set del film "La peste" di Luis Puenzo, tratto dall'omonimo romanzo di Albert Camus, Sandrine Bonnaire conosce l'attore William Hurt che diventerà suo compagno e padre della figlia Jeanne.
Per Claude Chabrol gira due film: "Il colore della menzogna" (1998) e "Il buio nella mente" (1995), con il quale vince il premio di migliore attrice al Festival di Venezia, ex aequo con Isabelle Huppert, coprotagonista della pellicola. In questo film fa la parte di una fredda domestica analfabeta, apparentemente priva di emozioni, che si avvicina a una postina povera con il vizio di aprire la posta dei suoi datori di lavoro.
Nel 2002 lavora con Brian De Palma nel suo "Femme fatale" e nel 2004 interpreta "Confidenze troppo intime" per la regia di Patrice Leconte.
Nel 2017 torna protagonista con Claude Lelouch in "Parliamo delle mie donne", al fianco di Johnny Hallyday
Nel 2003 ha sposato lo sceneggiatore Guillaume Laurant.