Interrotti gli studi universitari, esordi nel cinema nel 1956 ne Lo scapolo (Antonio Pietrangeli), affermandosi, dopo aver interpretato alcuni film in parti di secondo piano, ne La donna che venne dal mare (1957, Francesco De Robertis). Attrice dalla bellezza prepotente, esuberante, vivace e gioiosa, in questi ultimi anni ebbe occasione di dimostrare ampiamente le sue non comuni doti drammatiche, sia in chiave comico-umoristica, sia in chiave tragica. La si ricorda, per esempio, nei due personaggi di prostituta, resi con molta sensibilità ed efficacia drammatica, ne Il generale Della Rovere (1959, Roberto Rossellini) e in Adua e le compagne (1960, Antonio Pietrangeli). Cosi come ottime qualità comiche dimostrò ne La giumenta verde (1959, Claude Autant-Lara), girato in Francia, in cui impersonava il personaggio di una ragazza di campagna, tutta fuoco e provocazione, reso con grande finezza umoristica. Le due grandi occasioni per dimostrare appieno il carattere originale, spiritoso, effervescente, della sua recitazione, le ebbe nei due film diretti da Federico Fellini, Otto e mezzo (1963) e Giulietta degli spiriti (1965). Nel primo dava vita alla straordinaria figura dell'amante del protagonista, Carla, tutta moine, mossette, ingenuità, sullo sfondo liberty d'una stazione termale; nel secondo interpretava il personaggio dell'amica e vicina di casa di Giulietta, Susy, vero emblema della sessualità nel mondo contemporaneo, proiezione fisica delle ossessioni, dei ricordi, dei rimpianti, dei desideri erotici di Fellini, in una cornice opulenta di scenografie, costumi, arredamenti d'un gusto floreale sovraccarico di simboli e di suggestioni. A parte questi notevoli risultati espressivi, il personaggio più complesso e compiuto della sua carriera d'attrice rimane a tutt'oggi quello di Pina ne La visita (1963, Antonio Pietrangeli), in cui è riuscita a fondere in maniera sorprendente i due registri interpretativi - il comico e il tragico - della sua precedente esperienza artistica, tratteggiando con molta sensibilità ed efficacia drammatica la figura di una ragazza di provincia, non più giovanissima, desiderosa d'accasarsi, la quale, dopo un'esperienza melanconica e triste, è maggiormente conscia della propria individualità e personalità.

Debutta al cinema accanto ad Alberto Sordi in Lo scapolo (1955). Riconoscibile per le sue forme esuberanti e vistose e per la voce ingenua da bambina, diviene una maggiorata del grande schermo e prende parte a numerosi film "di genere".
Il primo ruolo importante arriva nel 1959 grazie al produttore Moris Ergas, che poi la sposerà: si tratta de Il generale Della Rovere, in cui interpreta il ruolo di una prostituta per la regia di Roberto Rossellini. Un ruolo analogo è quello ricoperto in Adua e le compagne (1960) di Antonio Pietrangeli. Si apre così per la Milo una felice stagione di film d'autore, pur interpretati nei limiti delle sue possibilità drammatiche.
La sua carriera conosce una brusca interruzione dopo la stroncatura al Festival di Venezia di Vanina Vanini (1961), tratto da un racconto di Stendhal e ancora una volta firmato da Roberto Rossellini. Il film, e soprattutto la recitazione della Milo, viene accolto con asperrime critiche, oggigeneralmente considerate eccessive, e Sandra soprannominata Canina Canini, definizione cheoggi stroncherebbe la carriera di chiunque.

Sandra in 8½ (1963) Cruciale è l'incontro con Federico Fellini: nei due capolavori 8 e ½ (1963) e Giulietta degli spiriti(1965), Sandrocchia (così veniva affettuosamente soprannominata dal maestro) è una femme fatale ironica e disinibita, che oltre a incarnare l'immaginario erotico del regista, viene spesso messa in contrasto con le mogli, donne dall'aspetto più dimesso e dalla mentalità più borghese. Per entrambi i film vince il Nastro d'Argento come miglior attrice non protagonista.
È stata anche diretta, fra i tanti, da Luigi Zampa in Frenesia dell'estate (1963), da Dino Risi in L'ombrellone (1968), da Antonio Pietrangeli in La visita (1963), sicuramente la sua caratterizzazione più complessa e riuscita.
Con la sua sensibilità e le sue inquietudini, Sandra Milo è riuscita a superare gli schemi recitativi per un'idea di vita sempre su un ideale palcoscenico.
La sua burrascosa vita sentimentale, il matrimonio con Ergas (da cui nascerà Deborah, attualmente giornalista televisiva) e una successiva unione con Ottavio De Lollis (con la nascita diCiro e poi di Azzurra), mettono in secondo piano la sua attività cinematografica, che interrompe definitivamente in favore della famiglia. Solo nel 1982 torna al cinema per alcune apparizioni (Groge Cenerentola '80), ma intanto si delinea già la sua nuova carriera televisiva.
La partecipazione come ospite fissa a un ciclo di cinque puntate di Studio Uno nel 1965 sembrava dover essere un episodio isolato nella sua carriera di attrice. Dopo più di vent'anni, invece, spintaforse dall'amicizia con Bettino Craxi, tornò alla conduzione televisiva su Raidue nel 1985 con Piccoli fans, una trasmissione pomeridiana per bambini, che a suo modo ha lasciato un segno nella storia della tv italiana: la conduzione esageratamente ingenua e bambinesca di Sandra (anche per la sua voce in falsetto) e una serie di situazioni grottesche la resero nuovamente
famosa al pubblico italiano, tanto da riuscire ad eclissare la stagione di successi cinematografici degli anni '60.
Sandra Milo è entrata nella storia della televisione italiana anche per un celebre scherzo di pessimo gusto messo in pratica ai suoi danni: l'8 gennaio 1990, durante la trasmissione L'amore è una cosa meravigliosa, una telefonata anonima in diretta informa Sandra che suo figlio Ciro è ricoverato in ospedale in gravi condizioni in seguito ad un incidente [1]. La Milo non riesce a trattenere le lacrime e scappa dallo studio urlando Chi? Ciro?? Oddio!!. La notizia dell'incidente è falsa, ma le urla della sconvolta conduttrice verranno poi riprese molte volte da trasmissioni come Blob e Target, rendendole tanto popolari da ispirare il titolo di una trasmissione comica di Italia 1, Ciro, il figlio di Target.
Lasciata la Rai nel 1991 la Milo approda alla Fininvest per ereditare da Enrica Bonaccorti la conduzione del programma Cari genitori nella mattina di Rete 4. In seguito sarà protagonista sulla stessa rete di una parodia musicale a puntate della telenovela La Donna del Mistero al fianco, tra gli altri, di Patrizia Rossetti e i Ricchi e Poveri.
Durante il Festival di Sanremo 2001 è opinionista fissa de La vita in diretta e nel 2002 recita al fianco di Giampiero Ingrassia e Cristina Moglia nella fiction di Canale 5 intitolata Ma il portiere non c'è mai?. L'anno successivo torna al cinema con il film Il cuore altrove di Pupi Avati e nel 2005 partecipa al reality show Ritorno al presente, classificandosi seconda.
Dal 2006 è in tournée nei teatri italiani con la commedia 8 donne e un mistero, tratta dall'omonimo film francese, mentre nel 2007 è una delle protagoniste, assieme a Barbara D'Urso e Maurizio Micheli, della commedia teatrale Il Letto ovale diretto da Gino Landi. Del 2008 la partecipazione al film Chi nasce tondo... di Alessandro Valori con Valerio Mastandrea.