Ex enfant prodige del cinema francese, Sandrine Bonnaire, senza scuola di recitazione alle spalle, si è distinta sin dagli esordi per riuscire efficacemente a interpretare personaggi tormentati e affamati di vita. Unica concessione al divismo nel corso della sua carriera: l'apparizione nell'indimenticata sequenza iniziale del Femme Fatale di Brian De Palma nei panni di se stessa.
Cresce a Grigny, nell'Essonne, all'estremo sud dell'immensa area metropolitana parigina, è la settima di undici figli. Incontrando molte difficoltà a scuola decide presto di rinunciare agli studi e di iscriversi ad un corso professionale per parrucchieri. A 15 anni il cinema le cambia la vita. L'esordio sul grande schermo è una piccola apparizione nel cult Il tempo delle mele 2. La vera chance (accompagnando per caso sua sorella ad un provino) gli viene offerta da Maurice Pialat per un progetto che non verrà mai realizzato, ma il regista la sceglierà presto per Ai nostri amori pellicola sul disagio giovanile con cui ha inizio il loro sodalizio artistico (fruttandole il premio Cesar come miglior attrice emergente) che avrà modo di proseguire nel 1985 con Police e nell'1987 con Sotto il sole di Satana Palma d'oro al Festival di Cannes. L'interpretazione di una giovane clocharde in Senza tetto né legge di Agnès Varda le fa vincere un altro César ponendola definitivamente in testa a un'intera generazione di talentuose e giovani attrici di Francia. Nel 1990 è nel cast del film Verso sera di Francesca Archibugi al quale seguono le partecipazioni ai meno memorabili Sotto il cielo di Parigi di Michel Béna e La peste di Luis Puenzo trasposizione dell'omonimo romanzo di Albert Camus. È proprio su questo set che l'attrice incontra William Hurt che diventerà suo compagno e padre della figlia Jeanne. Negli anni seguenti la Bonnaire continua a mostrare una predilezione per ruoli non facili e nel 1994 è la Pucelle d'Orléans in Giovanna d'Arco per la regia di Jacques Rivette. Diretta dal maestro del noir Claude Chabrol in Il buio nella mente (1995) è Sophie, una domestica dislessica, colpevole dell'omicidio di una famiglia borghese di provincia dal sapore di vendetta di classe. Il film le vale la Coppa Volpi alla Mostra di Venezia ex aequo con Isabelle Huppert coprotagonista. La collaborazione col regista si rinnova in Il colore della menzogna nel ruolo della moglie del pittore Jacques Gamblin. La pellicola segna anche l'inizio di un cambiamento nell'immagine cinematografica della Bonnaire verso una femminilità meno inquieta e più garbata. Nel 1999 è protagonista del film di Régis Wargnier Est-ovest, Amore-libertà al fianco di Catherine Deneuve. Nel 2007 passa dietro la macchina da presa con il documentario Elle s'appelle Sabine dedicato alla sorella autistica, opera prima che ebbe il merito di contribuire a sensibilizzare sul tema il governo di Nicolas Sarkozy. Il suo nuovo film da regista è "J'enrage de son absence" (2012) in cui dirige l'ex compagno William Hurt nel ruolo delicato di un padre che ritrova nel bambino dell'ex moglie un revenant di quello perduto in un drammatico incidente.