Sara Martins naît le 19 Août 1977 à Faro dans la région du Sud du Portugal, d’origine française par sa mère et cap-verdienne par son père ; Sara veut d’abord devenir danseuse étoile, après une 1ère formation à l’Opéra de Lyon. Sara part ensuite à l’Opéra de Paris mais abandonne très vite.

Malgré sa timidité au lycée, Sara s’inscrit durant 3 ans à un cours de théâtre. En 1995, Sara poursuit ses études de droit par correspondance mais jusqu’à l’obtention de son DEUG elle commence à monter sur scène et c’est le metteur en scène Roger Planchon qui lui donne sa chance en la faisant intégrer le casting de la pièce Le Radeau de la Méduse au Théâtre National de Villeurbanne. Sara continue par la suite à jouer dans divers pièce de théâtre tel que Le Désir attrapé par la queue de Pablo Picasso (Mis en scène par Olivier Rey) et dans 2 pièces de Molière : Le Misanthrope et l’Atrabilaire amoureux (Mis en scène par Fabrice Herberard).

Ce n’est qu’en 2000 que Sara Martins fait ses débuts à la télévision, tout d’abord dans la série Police District puis dans 1 épisode de Maigret. Puis elle joue dans plusieurs séries policières comme PJ, Avocats et Associés, Les Bleus, Le Proc. C’est cependant en 2009 que Sara est révélée au grand public en jouant dans la mini-série de Canal + Pigalle, la Nuit avec Jalil Lespert et Simon Abkarian. Elle intégrera également le casting de la série anglaise Meurtres au Paradis diffusée sur la BBC et sur France 2. Pendant 4 saisons elle incarne le rôle du sergent Camille Bordey.

Sara tourne également pour la télévision des téléfilms qui sont basées sur des faits réels et/ou historiques : Par Amour d’Alain Tasma, Disparition de Laurent Carcelès, Les mariés de l’isle Bourbon réalisé par Euzhlan Palcy.

En 2002, Sara commence à jouer pour le cinéma ; elle démarre par un court-métrage nommé Merguez, panini, jambon-beurre de Stéphanie Aubriot et Nicolas Acker ; Puis des seconds rôles dans des longs-métrages et pas seulement dans des films français. On a pu la voir dans : Mes copines de Sylvie Ayme, Dans tes rêves réalisé par Denys Tybaud, dans la séquence d’Alfonso Cuàron pour le film choral Paris je t’aime, Le Concert de Radu Millalenu et dans les 2 derniers films de Guillaume Canet : Ne le dis à personne et Les petits mouchoirs.

Sara Martins s’exerce également au doublage en interprétant en VF de nombreuses comédiennes : Rosario Dawson (La Saga Sin City, Trance), Zoe Saldana (Colombiana, Blood Ties), Halle Berry (Gothika), Kerry Washington (Mr and Mrs Smith) ainsi qu’elle-même dans Meurtres au paradis dans laquelle elle joue en anglais avant de se doubler pour la version française.