Enfant d'un père italien et d'une mère roumaine, Sandra Milo a grandi dans le quartier du Marais à Paris. Sa carrière débute en 1960 avec le film "Le Cousin", de Jean-Pierre Melville. Elle y joue le rôle d'Une Femme et fait une entrée remarquée parmi les critiques.
En 1963, Sandra Milo tient un rôle dans le film "La Valse des pantins" de Roger Vadim. C'est à partir de cette collaboration que débute sa carrière internationale. Elle travaille alors avec des réalisateurs comme Luchino Visconti, John Huston et François Truffaut.
En 1965, Sandra Milo tourne dans "La Femme infidèle", une adaptation de la pièce de Jean Cocteau par François Truffaut. Elle y joue le rôle-titre aux côtés de Jean-Pierre Léaud. Le film est un succès critique et marque le début d'une collaboration fructueuse entre Sandra Milo et François Truffaut.
En 1968, elle tourne dans "Le Doulos" de Jean-Pierre Melville. C'est une de ses performances les plus connues. La même année, elle joue le rôle de la Reine Margot dans l'adaptation du roman d'Alexandre Dumas par Jean Dréville.
En 1970, Sandra Milo quitte la scène pour une brève période. Elle revient en 1982 avec "La Cérémonie des adieux" de Claude Sautet. Elle continue à travailler régulièrement jusqu'en 2004, année où elle prend sa retraite définitive du cinéma.
Sandra Milo a été récompensée plusieurs fois pour son travail. En 1965, elle remporte le Prix d'Interprétation Féminine au Festival de Cannes pour "La Femme infidèle". En 2008, la Cité du Cinéma de Saint-Denis lui décerne un hommage en reconnaissance de sa carrière exceptionnelle.
Aujourd'hui, Sandra Milo est considérée comme une légende du cinéma français et son travail continue à inspirer des générations de cinéastes.