Sabine Thillaye naît Fuchs[1] en 1959 à Remscheid, en Allemagne de l'Ouest, de parents allemands. Son père est médecin. Elle fait des études supérieures de droit à Münster. Elle immigre en France en 1983, et prend des cours à l'Institut de Touraine. Trois ans plus tard, elle se marie avec un Français à Tours[2]. Elle est naturalisée française en 2014[1].
Sabine Thillaye cofonde en 1987[1] une agence de communication web-design[3] active en France et en Allemagne[1], basée à Saint-Cyr-sur-Loire en Indre-et-Loire. Elle la dirige jusqu'en 2017[3]. À ce titre, elle est cheffe de file de la commission « Relations médias » du MedefTouraine en 2006-2007, et membre du Conseil d’administration du Medef Touraine de 2016 à 2017.
Sabine Thillaye a également été chargée de cours en allemand juridique à l'Université François Rabelais de Tours[3]. Elle est membre fondatrice puis présidente de l'association Europe Val de Loire[3].
Sabine Thillaye intègre le parti En marche (devenu La République en marche, LREM) fondé par Emmanuel Macron en . Elle n'a jamais auparavant occupé de mandat politique et se définit alors de centre droit[3].
Elle est membre de la commission des Affaires européennes, dont elle est élue présidente le [1]. Lors de la remise en jeu des postes au sein du groupe LREM en , prévue depuis 2017, elle refuse de céder son poste, indiquant que, conformément aux règlements du groupe parlementaire et de l'Assemblée nationale, celui-ci n'est pas à pourvoir. Elle a propose toutefois d'organiser en lieu et place un scrutin en décembre pour sa commission[5]. Le , elle conserve finalement la présidence de la commission des Affaires européennes, mais est exclue du groupe parlementaire LREM[6]. Elle reste membre du parti LREM[4].
Lors de la réunion constitutive de l'Assemblée parlementaire franco-allemande le , Sabine Thillaye est élue, avec son homologue allemand Andreas Jung, présidente du bureau de cette assemblée[7].
En , elle rejoint le nouveau groupe parlementaire Écologie démocratie solidarité, formé avec d'autres députés ayant quitté La République en marche[4]. En , elle est l'une des deux membres du groupe EDS à voter pour la confiance au nouveau gouvernement Jean Castex[8].
En , elle rejoint, avec d'autres députés LREM, le groupe MoDem : elle indique qu'elle « aurai[t] pu aller chez Agir ensemble ou peut-être même retourner chez LRM avec un nouveau président bientôt élu », mais qu'elle « préfère être dans un groupe qui n’est pas trop pléthorique et où il est encore possible de se connaître et de pouvoir s’exprimer »[9].