Dominique Sanda a été révélée par Robert Bresson, qui lui offre son premier rôle (elle était auparavant mannequin), avec Une femme douce. Sa carrière a ensuite embrassé des rôles de cinéma, de télévision et de théâtre, en France, en Italie et aux États-Unis notamment.
Peu après le film avec Bresson, elle part pour l'Italie, où elle enchaîne toute une série de grands films :
Ses deux premiers films italiens lui ouvrent les portes d'une carrière internationale et elle s'impose au cours des années 1970 comme l'une des actrices européennes les plus rayonnantes. Elle tourne parallèlement plusieurs films américains comme :
Curieusement, en France, le cinéma a du mal à lui offrir une vraie place ; elle tourne toutefois plusieurs films remarqués comme :
Dans les années 1980, elle tourne trois films sous la direction de Benoît Jacquot, notamment Les Ailes de la colombe.
Au tournant des années 1990, elle tourne pour la télévision plusieurs coproductions internationales de prestige comme Un train pour Petrograd (ou Lenin: The train) avec Ben Kingsley, ou Embarquement pour l'enfer ou Voyage of Terror: The Achille Lauro Affair avec Burt Lancaster.
Parmi ses rôles au théâtre, on peut citer en 1995 - 1996 Un mari idéal d’Oscar Wilde, mis en scène par Adrian Brine, où Dominique Sanda interprète le rôle de Lady Chiltern.
Elle commence à être aussi appelée par le cinéma sud-américain Guerriers et captives ou Garage Olimpo. Elle s'établit alors à Faro José Ignacio (Uruguay) avec son conjoint, Nicolae Cutzarida, universitaire d'origine roumaine.
Dominique Sanda fait une brève apparition dans Les Rivières pourpres (2000), de Mathieu Kassovitz avec Jean Reno et Vincent Cassel, après Valse d'amour, de Dino Risi avec Vittorio Gassman en Italie (1992) et Les Enfants de la honte (Nobody's Children) aux États-Unis avec Ann-Margret (1994).
En 1976, Dominique Sanda a reçu le prix d'interprétation féminine à Cannes pour L'Héritage, de Mauro Bolognini.
Elle s'est mariée à Paris le 8 janvier 2000 à Nicolae Cutzarida, un universitaire d'origine roumaine avec lequel elle vit depuis en Argentine. Elle est la mère de l'acteur Yann Marquand, né à Paris le 20 avril 1972 d’une précédente union avec l'acteur et réalisateur Christian Marquand.