Sagemiller nació y creció en Washington, DC y pronto descubrió su pasión por la interpretación. A los tres años empezó a estudiar baile: claqué, ballet, jazz y danza moderna. Después de responder a un anuncio en The Washington Post, Sagemiller debutó en el teatro a la edad de nueve años interpretando a Dill en "To Kill a Mockingbird" (Matar a un ruiseñor). No tardó en ser una habitual de los escenarios teatrales de Washington DC. Interrumpió su carrera de actriz para asistir a la Universidad de Virginia donde se graduó en Historia del Arte. Cuando Sagemiller decidió retomar su carera a tiempo completo, empezó a estudiar en el Stella Adler Conservatory, en el Stonestreet Studio de la Universidad de Nueva York y en el Michael Howard Studio.