En 2000, elle décide de se tourner vers une carrière cinématographique. Après quelques rôles secondaires dans des films français, elle atteint la consécration en étant choisie pour le rôle principal du film "La Belle Equation", sorti en 2004. Le film est un grand succès critique et lui vaut de remporter plusieurs récompenses dont le César de la meilleure actrice.
Depuis cette époque, Sandra London a continué à jouer dans des films français et internationaux, travaillant avec des réalisateurs renommés tels que Roman Polanski, Ridley Scott et Mike Nichols. Elle a également participé à plusieurs séries télévisées françaises telles que "Les Revenants" et "Engrenages".
En 2017, elle se consacre plus particulièrement à la carrière de réalisatrice, en produisant et réalisant son premier long-métrage intitulé "Les Ombres de l'été", sorti en 2019. Le film est un grand succès critique et lui vaut de remporter le Grand Prix du Jury au Festival international du film de Locarno.
En plus de sa carrière d'actrice, Sandra London est également très impliquée dans des causes humanitaires telles que la lutte contre la pauvreté et l'inegalité sociale. Elle a notamment été nommée Ambassadrice du Haut Commissariat des Nations Unies pour les réfugiés et elle participe activement à des campagnes humanitaires telles que "Ensemble contre la faim" et "Un Monde sans Sida".
Sandra London est considérée comme l'une des actrices françaises les plus talentueuses de sa génération et elle continue d'apparaître régulièrement dans les films français et internationaux, en plus de poursuivre sa carrière de réalisatrice.