Сандра Гюллер народилася в місті Зуль, яке тоді входило до складу НДР. У дитинстві відвідувала театральний гурток. З 1996 по 2000 рік навчалася в Академії драматичного мистецтва імені Ернеста Буша. З 1999 по 2001 рік працювала в театрі міста Єна, потім протягом року — в театрі Лейпцига. Пізніше драматург Олівер Гельд порекомендував її в Театр Базеля, де вона грала до 2006 року.
У 2006 році виконала головну роль у фільмі «Реквієм». Її персонажка — дівчина Міхаела, загинула після проведення екзорцизму — була заснована на реальній історії німкені Аннелізи Міхель. Картина принесла акторці популярність і кілька престижних премій, в числі яких — Срібний ведмідь за кращу жіночу роль і вища кінопремія Німеччини Deutscher Filmpreis, а також відповідні нагороди деяких інших фестивалів.
У 2007—2010 роках вона з'явилася в головних ролях в картинах «Мадонни» і «Броунівський рух», а також втілила образ Ульріки Майнхоф в новелі Ніколетт Кребіц «Незакінчена» кіноальманаху «Німеччина 09». У 2012 і 2014 роках вона знову удостоювалася Deutscher Filmpreis за ролі у фільмах «Над нами тільки небо» і «Темний світ» відповідно.
Сандра Гюллер продовжувала брати участь в театральних постановках і після успіху в кінематографі. У різних театрах вона виконувала, зокрема, ролі Кортні Лав в постановці For Love і Єлизавети I в Virgin Queen. Після сезону 2012/2013 року вона була визнана театральними критиками журналу Theater heute акторкою року.