Stefania Sandrelli se destine d'abord à la danse avant de devenir mannequin et de remporter des concours de beauté qui la font remarquer de plusieurs producteurs. Elle commence ainsi une carrière de comédienne sans avoir suivi de formation et apparaît pour la première fois au cinéma dans Gioventu di notte en 1961 où elle tient un petit rôle.

Elle enchaîne la même année avec Divorce à l'italienne (1961) puis tourne en France Les Vierges de Jean-Pierre Mocky (1963) et L' Ainé des ferchaux de Jean-Pierre Melville (1964). Elle ne cesse dès lors de se partager entre la France et l'Italie en multipliant les longs métrages dans des rôles de jeunes femmes séduisantes jusque dans les années 70.

Les metteurs en scène transalpins les plus renommés la sollicite, de Bernardo Bertolucci (Partner, Le Conformiste; 1968) à Ettore Scola (Nous nous sommes tant aimes, 1974) en passant par Luigi Comencini (Un Vrai crime d'amour, 1973). Dans l'hexagone elle est employée par Nadine Trintignant (Le Voyage de noces, 1975), Claude Chabrol (Les Magiciens, 1975), et Alain Corneau (Police Python 357, 1975).

Après une petite baisse de régime dans les années 80 elle revient en haut de l'affiche grâce à un film qui fait scandale pour ses scènes érotiques: La Cle de Tinto Brass (1984). Assumant le cap de la cinquantaine, la comédienne continue une riche carrière, collaborant à nouveau avec Scola (La Famille, 1987; Le Dîner, 1998), travaillant avec Roberto Benigni (Le Petit Diable, 1988).

A partir des années 90, elle se fait plus rare et apparaît dans des seconds rôles (Jambon Jambon de José Juan Bigas Luna, 1992; Juste un baiser de Gabriele Muccino, 2001). Travaillant aujourd'hui pour la télévision italienne, apparaissant principalement dans des téléfilms légers et comiques, elle revient, en 2005, dans un premier film, Je lis dans tes yeux, où elle interprète une chanteuse enjouée au tempérament volcanique qui tente de faire table rase du passé et de se rapprocher de sa fille.