Encore élève au cours Florent, Sandrine Kiberlain commence sa carrière cinématographique en 1986 par de petites apparitions dans Cours privé de Pierre Granier-Deferre et On a volé Charlie Spencer ! de Francis Huster. Elle décide ensuite de s'engager au conservatoire national d'art dramatique tout en continuant à tenir des rôles secondaires. On la retrouve ainsi au casting de Milena (1991) de Vera Belmont. En 1992, Pascale Bailly lui offre d'incarner un des personnages principaux de Comment font les gens. Ce premier rôle important en déclenche d'autres comme celui de L' Irrésolu(1993) de Jean-Pierre Ronssin où elle rencontre son futur mari Vincent Lindon. L'année suivante, sa performance de prostituée de luxe dans Les Patriotes d'Eric Rochant lui vaut une première nomination aux Césars dans la catégorie meilleur espoir féminin.Plutôt habituée aux films de jeunes auteurs français, la comédienne n'hésite pas à s'essayer à d'autres univers. Elle est l'épouse de Mathieu Kassovitz dans Un héros très discret de Jacques Audiard et l'amante de Fabrice Luchini dans un film d'époque, Beaumarchais, l'insolent d'Edouard Molinaro. L'année 1995 reste surtout pour Sandrine Kiberlain celle de sa rencontre avec Laetitia Masson. La cinéaste lui offre le rôle d'une jeune ouvrière à la dérive dans En avoir ou pas. Sa performance lui vaut le César du meilleur espoir féminin. Laetitia Masson et Sandrine Kiberlain travaillent ensemble à deux autres reprises par la suite pour A vendre et Love me. La comédienne y incarne à nouveau deux rôles de jeunes femmes qui se cherchent encore. A vendre lui vaut sa deuxième nomination pour le César de la meilleure actrice.La première était venue l'année précédente pour son personnage d'épouse cleptomane dans Le Septieme Ciel de Benoît Jacquot, avec qui elle avait déjà tourné un téléfilm en 1992. Le cinéaste la réemploira deux ans plus tard pour La Fausse Suivante. Pendant cette période, Sandrine Kiberlain s'essaie également à la comédie, dans Rien sur Robert de Pascal Bonitzer. En 2001, Claude Miller lui offre son premier rôle de mère dans Betty Fisher et autres histoires. L'année suivante, elle est une jeune bourgeoise bobo dans C'est le bouquet ! de Jeanne Labrune. On la retrouve en 2004 en compagne d'Yvan Attal dans la comédie de Bernard Rapp, Un petit jeu sans conséquence.Après avoir fait en 2005 des débuts remarqués dans la chanson, elle revient au cinéma en 2006 avec deux films très ancrés dans la société contemporaine, Très bien, merci et La Vie d'artiste. Adepte de l’autodérision, Sandrine Kiberlain campe une attachante godiche dans Romaine par moins 30, comédie sortie en 2009 : une année chargée pour la comédienne puisqu'elle est aussi à l'affiche de deux adaptations littéraires, Mademoiselle Chambon, qui marque ses retrouvailles avec Vincent Lindon, et Le Petit Nicolas.
L'actrice est ensuite à l'affiche de deux succès publics et critiques, ce qui lui offre une grande visibilité à l'échelle nationale : elle campe la femme très bourgeoise de Fabrice Luchini dans la comédie de mœurs Les Femmes du 6e étage puis prête ses traits à l'un des personnages du film coup de poing de Maïwenn sur le quotidien de la brigade des mineurs, Polisse. Elle y interprète une épouse qui doit faire face aux penchants incestueux de son mari à l'égard de leurs enfants. Après ce rôle à la tonalité grave, la comédienne change de registre et prend la tête d'un groupe de soutien aux adultères anonymes dans le film à sketches Les Infidèles. Malgré ces trois percées au box-office, Sandrine Kiberlain reste fidèle à ses principes et n'hésite pas à s'engager dans des projets plus mineurs, comme L'Oiseau ou encore Pauline détective, une comédie qui lui donne l'occasion de retrouver Marc Fitoussi.
En 2013, la comédienne remporte le César de la meilleure actrice pour son rôle d'avocate dans la comédie d'Albert Dupontel, 9 mois ferme. Un an plus tard, elle glane à nouveau une nomination aux Césars pour son personnage d'esthéticienne mythomane dans Elle l'adore de Jeanne Herry. Elle devient ensuite la fille de Jean Rochefort dans Floride avant d'incarner la mère d'un adolescent découvrant son homosexualité dans Quand on a 17 ans d'André Téchiné. Sandrine passe aussi derrière la caméra en 2016 avec un court-métrage, Bonne figure, avec Chiara Mastroianni. En 2018, l'actrice est à l'affiche de 5 films, Amoureux de ma femme avec Depardieu, La Belle et la Belle, Les Champs de fleurs et le thriller Fleuve noir avec Vincent Cassel et le bouleversant Pupille consacré à l'adoption.
Après un passage dans la saison 4 de Dix pour Cent où elle joue son propre rôle, elle retrouve les frères Podalydès (qu'elle avait côtoyés dans Comme un avion) dans la comédie Les 2 Alfred puis tombe dans les bras de Pascal Elbé dans la romance On est fait pour s’entendre.
Après être passé derrière la caméra en 2016 avec le court-métrage Bonne figure, avec Chiara Mastroianni, Sandrine Kiberlain signe son premier long-métrage en 2022. Présenté en Séance Spéciale à la Semaine de la Critique du Festival de Cannes 2021, Une jeune fille qui va bien suit le parcours d'une femme juive insouciante en pleine Occupation.
