Aufgewachsen ist Kiele Sanchez mit drei Geschwistern in einer Vorstadt Chicagos. Im Alter von 13 Jahren entdeckte die Halb-Puertoricanerin und Halb-Französin ihr Interesse an der Schauspielerei.
Im Jahr 2000 nahm Sanchez erfolglos an einem Casting für einen Moderationsjob bei MTV in New York City teil. Ein Werbeagent, der sie zuvor auf MTV gesehen hatte, zeigte Interesse an ihr und bot an, sie bei ihrer weiteren Karriere zu unterstützen. Nachdem sie auf Ratschlag ihres Agenten nach Los Angeles gezogen war, schaffte sie es, bei ihrem ersten Vorsprechen eine Rolle in der Serie That Was Then zu bekommen, die Serie wurde aber nach nur drei Episoden abgesetzt. Ihr gelang es jedoch gleichzeitig in der Sitcom Married to the Kellys zusammen mit Breckin Meyer eine Rolle zu bekommen.
Außerdem hatte Sanchez 2003 einen kurzen Auftritt im Film Unzertrennlich. Sanchez spielte in der dritten Staffel der US-Serie Lost die Rolle der Nikki. In dem Film 30 Days of Night: Dark Days spielt sie die Hauptrolle Stella.
Von 2001 bis 2008 war Kiele Sanchez mit dem Regisseur Zach Helm verheiratet.[1] Am 29. Dezember 2012 heiratete sie den Schauspieler Zach Gilford, mit welchem sie sich 2011 verlobt hatte.[2] Im August 2015 gab das Paar bekannt, dass es im November 2015 Nachwuchs erwartet. Im Oktober 2015, wenige Wochen vor dem errechneten Geburtstermin, erlitt Sanchez jedoch eine Fehlgeburt, infolge derer ihr Sohn tot zur Welt kam.[3]
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