D’origine franco-norvégienne, Sara Mortensen grandit dans une famille d'artistes avec une mère actrice et metteur en scène et un père plasticien. Passionnée par la comédie depuis l'enfance, elle choisit tout de même la sécurité et est diplômée en lettres et sciences humaines, avant de s'inscrire au Cours Florent. De 2001 à 2004, elle y suit plusieurs enseignements en français et en anglais.

Durant cette période, Sara fait ses débuts en tant qu’actrice dans quelques courts-métrages et passe derrière la caméra, en 2003, pour la réalisation de l'un d'entre eux intitulé Facteur Chance. En parallèle, elle participe à plusieurs pièces de théâtres de sa professeure Lesley Chatterley. À partir de 2007, la jeune femme décroche quelques petits rôles au cinéma, notamment dans la comédie 15 ans et demi, avec Daniel Auteuil, et le drame, Un homme et son chien, aux côtés de Jean-Paul Belmondo. Elle fait également de nombreuses apparitions télévisées dans des programmes populaires français comme Engrenages, Femmes de Loi, Joséphine, ange gardien ou encore Clem où elle retrouve Lucie Lucas, sa partenaire à l'écran dans 15 ans et demi. Cependant, c’est le personnage de Coralie Blain dans le programme de France 3, Plus belle la vie, qui la fait réellement connaître auprès du grand public. Pendant sept ans, elle y interprète une professeure de mathématiques très sévère surnommée "Terminator". Malgré ce rôle récurrent, Sara poursuit sa carrière au cinéma et dans d'autres séries. En 2016, plus particulièrement, elle est au casting du film Il a déjà tes yeux et de la saison 2 de Chefs avec Clovis Cornillac.

Cette popularité croissante et ses opportunités toujours plus nombreuses l'obligent à quitter Plus belle la vie en 2019, afin qu'elle puisse se concentrer sur d'autres projets. La même année, Sara reprend alors le rôle de Kristina dans la série dérivée éponyme de Il a déjà tes yeux.

En 2020, après Contact et Les Mystères de la basilique, Sara interprète de nouveau une policière dans la série de France 2, Astrid et Raphaëlle. L'héroïne Astrid Nielsen, une femme autiste et archiviste pour la police judiciaire, est son premier grand rôle à l'écran. Elle y partage l'affiche avec Lola Dewaere.

Manon Maroufi