D’origen molt humil, fou descoberta per Vicente Casanova, productor de Cifesa. Debutà com a secundària en Te quiero para mí (1944), de Ladislao Vajda, i en Empezó en boda (1944), de Raffaello Matarazzo, film a partir del qual adoptà el nom artístic de Sara Montiel. L’any 1948 interpretà Locura de amor, de Juan de Orduña, film que li donà renom.
Els anys següents protagonitzà també, entre altres pel·lícules, La mies es mucha (1948), de José Luis Sáenz de Heredia. El 1951 anà a Mèxic, on es feu un lloc destacat en la indústria cinematogràfica d’aquest país amb produccions com Necesito dinero (1952) i Ahí viene Martín Corona (1952), de Miguel Zacarías, i Ella, Lucifer y yo (1953), de Miguel Morayta.
De Mèxic anà a Hollywood, on el 1954 tingué un paper destacat a Veracruz i posteriorment a Serenade (1956), d’Anthony Mann, i a Yuma (1957), de Samuel Fuller. L’èxit definitiu de la seva carrera, però, li arribà amb la producció espanyola El último cuplé (1957), musical dirigit per Juan de Orduña, que la consagrà també com a cantant popular. En el mateix gènere La violetera (1958), de Luis César Amadori, tingué un impacte similar. A la dècada dels anys seixanta rodà Mi último tango (1960) i Pecado de amor (1961), ambdues de Luis César Amadori; La bella Lola (1962), d’Alfonso Balcázar; La dama de Beirut (1965), de Ladislao Vajda; Tuset Street (1968), de Jordi Grau i Lluís Marquina; Esa mujer (1969), de Mario Camus, i Varietés (1971), de Juan Antonio Bardem, entre d’altres.
Després d’una seixantena de films, amb Cinco almohadas para una noche (1973), de Pedro Lazaga, abandonà pràcticament el cinema i es dedicà sobretot a la cançó, amb diversos espectacles de revista (Saritísima, 1975; Increíble Sara, 1977; Taxi... Vamos al Victoria, 1983; Nostalgia, 1985; Sara, siempre Sara, 1987, etc.) i a l’enregistrament d’una trentena de discos, la majoria a partir dels seus èxits cinematogràfics i teatrals, amb cançons com ara Fumando espero, Bésame mucho, La violetera o Amado mío, que tingueren un gran ressò popular. Aparegué assíduament en programes de televisió.
Des d’aleshores esdevingué una icona de la cultura popular espanyola, amb un cert to cosmopolita que encarnava el mite de la dona que del no-res triomfa gràcies al seu erotisme i bellesa. Rebé diversos guardons, entre els quals cal esmentar la Golden Eagle de la fundació del mateix nom de Hollywood (1994), la Medalla d’Or de l’Acadèmia de les Arts i les Ciències Cinematogràfiques d’Espanya (1997) i la Medalla del Mèrit al treball del Govern espanyol (2008).
Estigué casada, entre d’altres, amb el director Anthony Mann (1957-61) i amb l’actor mallorquí Josep (Pepe) Tous (1979-92).