Forte du succès des pièces de théâtre dans lesquelles elle joue à l'école, Sasha Alexander suit des études pour devenir réalisatrice. C'est finalement face à la caméra qu'elle commence sa carrière, dans des courts-métrages, puis dans la 4ème saison de Dawson (2000) où elle incarne Gretchen. Après une apparition dans Friends et Les Experts, elle devient l'agent Caitlin Todd dans les deux premières saisons de NCIS : Enquêtes spéciales (2003).

Côté cinéma, elle co-produit et joue dans Lucky 13 en 2001, avant de se voir offrir un rôle aux côtés de Tom Cruise dans Mission : impossible 3 (2006).