Sara Sampaio inizia la sua carriera dopo aver vinto il concorso cabelos pantene 2007. È apparsa in numerose riviste come Elle, Vogue, Glamour e molte altre. Nel 2012 appare sulla copertina di Vogue Portogallo, ed è stata scelta per essere l'immagine internazionale dalla campagna Calzedonia mare[3], dove viene riconfermata anche nel 2013, 2014 e 2015[4][5]. È anche apparsa nelle campagne Replay insieme a Irina Shayk e Blumarine insieme ad Adriana Lima[6] per le stagioni autunno/inverno 2011/2012. Nel 2012, 2013 e 2014 è testimonial, insieme a Barbara Palvin, della linea di abiti da sposa Rosa Clarà[7].
Nel 2013 appare sulla copertina di GQ per il numero di gennaio e sfila al Calzedonia Summer Show[8]. Inoltre viene scelta come protagonista per la campagna pubblicitaria autunno/inverno 2013/2014 di Morellato[9].
Nel 2014 viene scelta per essere testimonial della campagna di Agua Bendita primavera/estate e riconfermata per Morellato.[10][11] Fa il suo debutto su Sports Illustrated Swimsuit Issue: è la prima modella portoghese ad apparire sulla rivista.[12] e 2014 Rookie of the Year.[13] Inoltre viene scelta come testimonial di Gas Jeans autunno/inverno 2014 accanto al campione del motociclismo Marc Márquez.[14]
Nel 2017 è nel videoclip della canzone 2U di Justin Bieber e David Guetta, insieme ad altre modelle di Victoria's Secret,[19] e viene scelta come nuova testimonial di Pinko per la campagna autunno/inverno.[20] Nel mese di settembre appare in topless sulla copertina di Lui Magazine riscuotendo un grande successo, tuttavia la modella ha denunciato il magazine dichiarando di «averla costretta a posare nuda, e di non aver rispettato l'accordo di non pubblicare le foto in cui compare senza veli».[21]
Nel 2013 diventa uno dei volti della linea Pink di Victoria's Secret e nel mese di novembre viene scelta per sfilare al suo primo Victoria's Secret Fashion Show.[24] Il 28 aprile 2015, Victoria's Secret conferma sulla sua pagina ufficiale di Instagram che Sara Sampaio è diventata ufficialmente una Victoria's Secret Angels, insieme ad altre nove modelle e facendo di lei il primo angelo portoghese.[25][26]