Estudió interna en un convento de dominicas y más tarde en el colegio Jesús María de Orihuela (Valencia). Cuando tiene quince años de edad, Vicente Casanova la hace participar en un concurso de nuevas actrices que terminaría ganando.

Inició su carrera en los años cuarenta, concretamente en 1944 debuta en le cine con el seudónimo de María Alejandra; cuando Enrique Herreros se convierte en su agente le cambió el nombre por el de Sara Montiel.

Su primera película fue Te quiero para mí (1944) de L. Vajda. Con la década de los cincuenta y cansada de las pocas posibilidades que el cine español le ofrecía decide irse a México. Allí se convierte en una de las actrices preferidas del público cnetroamericano. Su estancia en México le abrió las puertas del mercado estadounidense donde llegó a trabajar a las órdenes de Aldrich, Fuller y Anthony Mann (con el que se casaría poco después en 1956). En 1957 regresa a España donde Herreros le había conseguido un contrato para El último cuplé, trabajo que la convertirá en una auténtico fenómeno cinematográfico en nuestro país. Casi automáticamente todas las canciones de sus películas se convirtieron en grandes éxitos.

En 1964 divorciada ya de Anthony Mann, contrajo matrimonio en Roma con un ingeniero llamado Vicente Ramírez Olalla aunque no se casó más, los últimos años los pasó unida sentimentalmente a Pepe Tous (con el que adoptó dos hijos: Thais y Zeus) hasta que este muere en 1992.

Sus éxitos en el celuloide continuaron con La violetera, película que obtuvo en 1958 el Premio del Sindicato Nacional del Espectáculo y el Premio del Circuito de Escritores cinematográficos, Mi último tango, Pecado de amor, La bella Lola, etc.

Su popularidad fue declinando y a partir de 1970 se retiró casi completamente del cine.

Terenci Moix dice de ella: "Sara Montiel -nuestra Mae West- representa la inspiración máxima de un erotismo tranquilizador, donde la agresividad de la súper-hembra viene suavizada tanto por sus extravagancias externas -vestuario, fraseología, simpatía, canciones- como por lo absolutamente increíble de los temas en que reina."