Sara Giraudeau naît dans le milieu artistique théâtral et cinématographique français. Elle apparaît pour la première fois au cinéma à l’âge de 11 ans dans le film Les Caprices d’un fleuve réalisé par son père Bernard Giraudeau. Elle débute au théâtre en 2005-2006 dans une mise en scène d’Isabelle Rattier des Monologues du vagin d’Ève Ensler au Petit Théâtre de Paris, puis elle s’illustre dans des pièces plus classiques telles que La Nuit des rois de William Shakespeare en 2009 ou encore Colombe et L’Alouette de Jean Anouilh en 2010 et 2012. C’est en 2007 que sa carrière prend de l’envergure grâce à la pièce La Valse des pingouins de Patrick Haudecœur, une comédie musicale burlesque pour laquelle elle reçoit le Molière de la révélation théâtrale, ainsi que le Prix Raimu de la révélation. En 2013, elle incarne au Théâtre La Bruyère, Zelda Sayre, auprès de Julien Boisselier interprétant Francis Scott Fitzgerald, dans Zelda et Scott mise en scène par l’auteur Renaud Meyer. En 2015, elle joue dans la série de Canal+ Le Bureau des légendes réalisée par Éric Rochant : elle y interprète Marina Loiseau, jeune polytechnicienne chargée d’infiltrer les secrets nucléaires iraniens. Début 2018, elle reçoit le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour son interprétation dans
Petit Paysan, tandis que le réalisateur Hubert Charuel se voit également décerner le César du meilleur premier film. Elle est membre du jury du Festival du cinéma américain de Deauville 2018. En 2019, sortent au cinéma Les Traducteurs de Régis Roinsard et Les Envoûtés de Pascal Bonitzer, où elle partage l’affiche avec Nicolas Duvauchelle ; en 2020 sort Si tu vois ma mère de Nathanaël Guedj. En 2020, Sara Giraudeau est à l’affiche de Si tu vois ma mère de Nathanël Guedj. En 2021, on peut la voir dans Médecin de Nuit d’Élie Wejeman ainsi que dans Le Discours de Laurent Tirard. En 2022, on la retrouve sur grand écran dans le film de Fred Cavayé, Adieu Monsieur Haffmann et plus récemment dans les films La Page blanche de Murielle Magellan et Le Sixième Enfant de Jeanne Herry.
2022 La Page blanche de Murielle Magellan
Le Sixième Enfant de Jeanne Herry
Adieu Monsieur Haffmann de Fred Cavayé
2021 Le Discours de Laurent Tirard
Médecin de nuit d’Élie Wajeman
2020 Si tu vois ma mère de Nathanaël Guedj
2019 Les Traducteurs de Régis Roinsard
Les Envoûtés de Pascal Bonitzer
2016 Petit Paysan de Hubert Charuel - César de la meilleure actrice dans un second rôle
Papa ou maman 2 de Martin Bourboulon
2015 Et mon coeur transparent de David et Raphaël Vital-Durand
Rosalie Blum de Julien Rappeneau
Vendeur de Sylvain Desclous
Les Bêtises de Rose et Alice Philippon
2014 La Belle et la Bête de Christophe Gans
2013 Denis de Lionel Baillu
2010 Imogène MacCarthery de Franck Manier et Alexandre Charlot