Née à Mazatlán, au Mexique, Sara Ramirez déménage à l'âge de huit ans pour s'installer à San Diego avec sa mère, après le divorce de ses parents. Encourageant sa fibre artistique précoce, sa famille la soutient lorsqu'elle intègre la prestigieuse San Diego School of Creative and Performing Arts. Passionnée par le chant et la comédie, la jeune femme poursuit sa formation théâtrale sur la côte Est. Elle en sort diplômée de la célèbre Juilliard School de New York, où elle perfectionne sa technique vocale et son jeu dramatique, s'apprêtant à conquérir les scènes professionnelles américaines dès la fin des années 1990.

C'est sur les planches de Broadway que l'actrice fait ses débuts remarqués en 1998 dans la comédie musicale The Capeman de Paul Simon. Elle enchaîne ensuite les productions théâtrales d'envergure, prêtant sa voix puissante à des spectacles comme Fascinating Rhythm ou A Class Act. Le sommet de sa carrière scénique survient en 2005 lorsqu'elle incarne la fantasque Dame du Lac dans la comédie musicale satirique Spamalot, une adaptation hilarante du film des Monty Python. Sa performance vocale et comique exceptionnelle est alors couronnée par le prestigieux Tony Award de la meilleure actrice, asseyant définitivement son immense talent.

Cette consécration théâtrale attire l'attention des directeurs de casting de la chaîne ABC, qui lui proposent un rôle sur mesure à la télévision. En 2006, la comédienne intègre la deuxième saison de la série médicale à succès Grey's Anatomy sous les traits du docteur Callie Torres. Initialement récurrent, ce personnage de chirurgienne orthopédique devient rapidement indispensable et s'inscrit comme une figure majeure du show pendant une décennie. À travers ce rôle marquant, l'interprète offre une visibilité sans précédent à la communauté LGBTQIA+ sur les écrans, tout en profitant des épisodes musicaux pour dévoiler ses talents de chanteuse.

Parallèlement au petit écran, Sara Ramirez s'illustre régulièrement au cinéma dans des projets variés allant de la comédie romantique Vous avez un mess@ge au drame indépendant Spider-Man. Figure polyvalente, l'artiste mène de front une prolifique carrière dans le doublage, prêtant notamment son timbre chaleureux à la Reine Miranda dans la série d'animation à succès de Disney, Princesse Sofia. Sortie de l'univers médical en 2016, elle continue de briller à la télévision en rejoignant les séries dramatiques Madam Secretary puis And Just Like That..., confirmant sa position d'icône incontournable du paysage audiovisuel contemporain.