C'est en décidant à l'âge de treize ans d'accompagner une amie pour une audition que Sara Forestier fait son entrée dans le monde du spectacle. Remarquée à l'issue de cet essai, elle enchaîne les petits rôles, notamment dans Les Fantômes de Louba en 2001 et La Guerre à Paris en 2002.

Au cinéma, elle fait des débuts sur les chapeaux de roue en incarnant Lydia dans L' Esquive d'Abdellatif Kechiche, gros succès critique et public qui lui vaut le César du Meilleur espoir féminin en 2005. Sa carrière est lancée : on la retrouve sous la direction des plus grands : Claude Lelouch (Le Courage d'aimer, 2004), Michel Deville, pour qui elle incarne une jeune fiancée délaissée par son futur époux dans le vaudeville Un fil à la patte (id.), Bertrand Blier (Combien tu m'aimes ?, 2005) ou encore Alain Resnais (Les Herbes folles, 2009).

Prête à relever tous les défis, la jeune comédienne s'illustre dans l'adaptation du sulfureux roman Hell (2005) aux côtés de Nicolas Duvauchelle, prête sa voix au film d'animation Astérix et les Vikings (id.) et tente une carrière à l'international en apparaissant au générique du Parfum (2006). Partenaire à deux reprises de Lorànt Deutsch dans Jean de La Fontaine, le défi (2007) et Humains (2009), Sara Forestier donne également la réplique à Pierre Richard dans la comédie Victor (2009) de Thomas Gilou.

Elle campe ensuite le rôle de France Gall dans le premier film de Joann Sfar : Gainsbourg - (vie héroïque), conte musical avec Eric Elmosnino dans le rôle-titre. Année de la consécration en 2011 puisqu'elle reçoit le César de la meilleure actrice pour son interprétation dans la comédie Le Nom des gens où elle partage l'affiche avec Jacques Gamblin. Elle y incarne Bahia Benmahmoud, une jeune femme extravertie qui n'a pas honte de coucher avec ses ennemis (les gens de droite...) pour les convertir politiquement...

Grâce à ce rôle original et insolite qui lui permet de montrer à nouveau ses talents d'actrice, Sara Forestier entre définitivement dans la cour des grands, à seulement 24 ans. Cette même année, elle change complètement de registre en s'affichant aux côtés de Roschdy Zem et Samuel Le Bihan pour les besoins du film policier Une nuit de Philippe Lefebvre (II). La jeune femme fait à nouveau parler d'elle en 2013 avec sa performance de fille-mère dans Suzanne de Katell Quillévéré.

Elle obtient une nomination au César de la meilleure actrice grâce à ce rôle poignant. Sa complice dans le film, Adèle Haenel, reçoit quant à elle le César de la meilleure actrice dans second rôle. La même année, Sara se bagarre avec James Thiérrée dans Mes séances de lutte de Jacques Doillon.

En 2015, la comédienne est à nouveau nommée pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour La Tête haute d'Emmanuelle Bercot dans lequel elle interprète une mère indigne ne parvenant pas à élever ses enfants. L'année suivante, l'artiste change de registre et retourne à l'école dans la peau d'une institutrice dans Primaire d'Hélène Angel. Elle passe ensuite derrière la caméra pour mettre en scène le drame M (2017), une histoire d'amour passionnée où elle partage l'affiche avec l'humoriste Redouanne Harjane.

Puis, elle incarne une criminelle qui fait froid dans le dos dans le polar Roubaix, une lumière d'Arnaud Desplechin. Tournant peu mais choisissant ses projets avec soin, Sara joue une prostituée dans Filles de joie et une jeune dessinatrice dans Playlist. En 2024, elle est l'une des Trois amies d'Emmanuel Mouret, aux côtés de India Hair et Camille Cottin.