Née en 1985, Sara Giraudeau a toujours baigné dans le milieu du cinéma et du théâtre grâce à ses parents, Anny Duperey et Bernard Giraudeau. Révélation féminine en 2007 aux Molières pour son rôle dans "La Valse des pingouins" de Patrick Haudecoeur à seulement 22 ans, l’actrice enchaîne des petits rôles dans des grosses productions françaises, comme Boule et Bill et La Belle et la Bête.

Sara apparaît sur grand écran pour la première fois dans Les Caprices d’un fleuve, réalisé par son père. Après un bac littéraire, elle prend les cours de théâtre de Jean Périmony et entre directement en deuxième année après un concours brillamment réussi. Son talent est remarqué par les producteurs qui lui proposent plusieurs pièces, notamment "Les Monologues du vagin" et "La Nuit des rois" de William Shakespeare.

Parallèlement à sa carrière sur les planches, le public aperçoit la comédienne dans plusieurs téléfilms, comme Marie et Madeleine en 2008, ou encore dans L’évasion l’année suivante. Sara donne la réplique à sa mère dans la pièce "Colombe" avec laquelle elle est très proche. En effet, les deux actrices sont marraines de l’association Le Rire Médecin depuis 2007.

À partir de 2015, la carrière de Sara Giraudeau prend une dimension internationale grâce à son rôle de Marina Loiseau (alias « Phénomène ») dans la série d'espionnage Le Bureau des légendes, qu'elle interprète jusqu'en 2020.

Au cinéma, elle s'illustre dans le drame Petit Paysan (2017) de Hubert Charuel, une performance qui lui vaut le César de la meilleure actrice dans un second rôle en 2018. Elle enchaîne ensuite les rôles dans des longs-métrages aux registres variés, notamment Les Traducteurs (2019), Le Discours (2020), Médecin de nuit (2020) et Adieu Monsieur Haffmann (2021). En 2023, elle incarne Claude Chirac dans le film biographique Bernadette de Léa Domenach. Elle figure ensuite à l'affiche de Le Roman de Jim (2024), La Venue de l'avenir (2025) et du drame Garance (2026) réalisé par Jeanne Herry.