Ses quatre grands-parents sont des Juifs polonais (son grand-père paternel était musicien et sa femme affirmait avoir été une grande tragédienne) installés en France en 1933. Son père, expert comptable et auteur de théâtre sous le nom de David Decca, a connu sa femme dans l'atelier de théâtre d'une école de commerce. Elle a une sœur aînée Laurence.
Après le baccalauréat et l'école supérieure d'arts graphiques Penninghen, elle est admise en classe libre au Cours Florent de 1987 à 1989 puis au Conservatoire national supérieur d'art dramatique de 1989 à 1992.
Elle est nommée, en 1995 pour Les Patriotes, au César du meilleur espoir féminin qu'elle remporte en 1996 pour En avoir (ou pas). L'année suivante, son interprétation dans Un héros très discret lui vaut une nomination pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle. Elle a également été nommée trois fois pour le César de la meilleure actrice en 1999 pour À vendre, en 1998 pour Le Septième Ciel et en 2011 pour Mademoiselle Chambon. Elle a enfin reçu le prix Romy-Schneider en 1995. Elle a été membre du jury du festival de Cannes en 2001.
Elle est aussi une comédienne de théâtre. En 1997, elle reçoit le Molière de la révélation théâtrale pour Le Roman de Lulu, une pièce écrite par son père qu'elle monte avec succès.
Elle sort, le {{date}}, son premier album en tant que chanteuse : Manquait plus qu’ça, vendu à plus de 100000 exemplaires, et participe depuis quelques années déjà à la grande tournée des Enfoirés.
Après une période d'absence, elle revient en 2007 avec deux films (Très bien, merci et La Vie d'artiste), et un nouvel album, sorti le {{date}}, Coupés bien net et bien carré qui comporte le single La Chanteuse. Auteur de tous les textes, elle s'est entourée pour la composition de ce deuxième opus d'Étienne Daho, de Mickaël Furnon (Mickey 3D), de Camille Bazbaz et de Pierre Souchon.
En 2014, elle obtient le César de la meilleure actrice pour la comédie 9 mois ferme d'Albert Dupontel.
En 1993, elle rencontre Vincent Lindon sur les plateaux de cinéma et l'épouse en 1998.En 2000, ils ont une fille prénommée Suzanne puis se séparent après dix ans de vie commune. Le 5 mars 2015, elle apparaît à la une de Paris-Match, au bras d’Édouard Baer. Les deux acteurs sont amoureux et se seraient rencontrés sur le tournage dImagine renommé Encore heureux.
Sandrine Kiberlain est une des marraines de l'association humanitaire La Chaîne de l'espoir.