Сандра Буллок родилась в окрестностях Вашингтона в семье немки Хельги Мейер (умерла 4 апреля 2000 года), оперной певицы, и учителя по вокалу из штата Алабама Джона Буллока. У неё также есть младшая сестра Джезин, ставшая юристом по образованию. Сандра более 12 лет прожила в городе Фюрт, Германия, где изучала балет, а также будучи одарённой хорошим вокалом, исполняла небольшие партии в постановках, в которых участвовала её мать. В Германии Сандра посещала англоязычную школу и была одной из самых успешных учениц.
Сверстники Сандры долгое время смотрели на неё, как на иностранку, не желая принимать в свой круг. Но вскоре Сандра смогла завоевать сердца своих новых знакомых, став главой группы поддержки футбольной команды. Окончив школу, Буллок решила освоить профессию юриста, поступив в университет штата Северная Каролина. Однако через некоторое время она покинула это учебное заведение и отправилась в Нью-Йорк. Мечтам стать фотомоделью и стюардессой не суждено было сбыться, и будущей звезде приходилось подрабатывать официанткой в дешевых барах и ресторанах. Именно там Сандра загорелась идеей стать актрисой и поступила на курсы актёрского мастерства.
Семья Буллок вернулась в Вашингтон, когда Сандра ещё была подростком. В США Сандра закончила актёрские курсы в университете штата Северная Каролина и переехала в Нью-Йорк, где начала карьеру театральной актрисы. Однако Буллок не удалось прижиться в этом городе, и спустя некоторое время она переезжает в Лос-Анджелес, где и достигает успеха как киноактриса.
Сыграв несколько ролей в так называемых «вне-Бродвейских» постановках, получив хорошие отзывы критиков, Сандра была замечена и приглашена играть в телесериалах. Свою первую серьёзную роль Буллок получила в комедийном сериале «Работающая девушка» / Working Girl (1990). Однако всерьёз на неё обратили внимание только через три года.