Bullock 1964'te Arlington, Virginia'da doğdu. Annesi Alman opera sanatçısı Helga Meyer (1942-2000), babası ise Amerikan Ordusu'ndan emekli ses eğitmeni John Bullock'tur (d. 1925). Annesi ile babası, John Bullock'un Amerikan Ordusu adına görev yapmak üzere bulunduğu Nürnberg'de tanışıp evlenmiş, daha sonra Amerika'ya taşınmışlardır. 1970 doğumlu Gesine Bullock-Prado adlı bir kız kardeşi vardır. Sandra Bullock, Nürnberg, Viyana ve Salzburg'da büyüdü. O yıllarda bale ve müzik eğitimi almış, annesiyle birlikte bazı operalarda küçük roller almıştır. Lise eğitimini Arlington'da, Washington-Lee Lisesi'nde tamamladı. Bu yıllarda okulda ponpon kızlık yaptı. East Carolina Üniversite'sinde drama dersi aldı. Okul yıllarının ardından Manhattan'a taşındı, tiyatro çalışmalarının yanında barmen ve garson olarak da çalıştı.

1987'de Sanford Meisner'den oyunculuk dersleri aldı ve bağımsız filmlerle ve televizyon yapımlarıyla adını duyurdu. Demolition Man ve Hız Tuzağı (Speed) gibi filmlerle dikkat çekti. While You Were Sleeping (1995) filmiyle ilk Altın Küre adaylığını kazandı. Bunun ardından daha büyük prodüksiyonlarda daha önemli roller almaya başladı. 1997'de Speed'in devamı olan Speed 2: Cruise Control'da da oynadı. 1998'de Aşkın Büyüsü (Practical Magic) filminde Nicole Kidman'la birlikte başroldeydi. 2000'de Miss Congeniality ve 28 Gün (28 Days) gibi filmlerde yer aldı. 2002'de Adım Adım Cinayet (Murder by Numbers)'da oynadı. 2006 yapımı Göl Evi (The Lake House) filminde Keanu Reeves ile başrolü paylaştı. 2007 yapımı Sıradışı (Premonition) filminde yine kadrodaydı. 2009'da oynadığı Kör Nokta (The Blind Side) filmiyle En İyi Kadın Oyuncu dalında Oscar ödülünün sahibi oldu. 2013 yapımı Yerçekimi (Gravity) filmiyle yine takdir toplayan bir performans sergiledi. 2015'te Minyonlar filminde Scarlet Overkill'i seslendirdi.

Bullock, Monster Garage programını yapan Jesse James ile 16 Temmuz 2005'te evlendi. 2010'da ayrıldılar. Bullock'un 2 evlatlık çocuğu bulunmaktadır.