Di origine polacca e di religione ebraica da parte dei nonni, trasferitisi in Francia nel 1933, Sandrine Kiberlain è figlia di un contabile che conobbe sua moglie proprio a teatro, luogo nel quale Sandrine tornerà per lavorare dopo essere stata ammessa ai corsi di recitazione Cours Florent nel 1987 e al Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique dal 1989 al 1992.

Rivelazione del teatro francese, è conosciuta per aver portato al successo una pièce scritta da suo padre: "Le Roman de Lulu", ma soprattutto perché è stata dal 25 febbraio 1998 al 2008, la moglie dell'attore Vincent Lindon e la madre di sua figlia Suzanne.

Grande amica della regista Laetitia Masson, recita per la prima volta in un lungometraggio nel 1986, quando Pierre Granier-Deferre la sceglie per un piccolo ruolo in Non guardarmi (1986) con Michel Aumont e Emmanuelle Seigner. Seguono altri film come Cyrano de Bergerac (1990) con Gérard Depardieu, L'amante (1991), L'inconnu dans la maison (1992) con Jean-Paul Belmondo, Le persone normali non hanno nulla di eccezionale (1993), Storie di spie (1994), L'insolente (1996) con Michel Piccoli (che ritroverà anche in Rien sur Robert del 1999 e Tout va bien, on s'en va (2000), L'appartamento (1996), A vendre - In vendita (1998), Betty Fisher (2001) di Claude Miller con Edouard Baer, In amore c'è posto per tutti (2003) e, dopo un periodo di silenzio, Il piccolo Nicolas e i suoi genitori (2009).
Membro della Giuria del Festival di Cannes nel 2001, plurinominata ai César, vince solo uno dei prestigiosi premi francesi: quello per la migliore attrice esordiente in En avoir (ou pas) (1995).

Partecipa poi al film di Maïwenn Le Besco Polisse e a seguire interpreta Simone de Beauvoir nel film di Martin Provost Violette. Nel 2016 è la figlia di un anziano Jean Rochefort nel film di Philippe Le Guay Florida e viene diretta da André Téchiné in Quando hai 17 anni.

Nel 2018 recita per Daniel Auteuil in Sogno di una notte di mezza età e per Erick Zonca nel thriller Black Tide. Lisa Azuelos la sceglierà come protagonista del suo film sul rapporto madre/figlia Selfie di famiglia (2019).

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