С восьми лет училась на курсах танца. Участвовала в любительских спектаклях. Была фотомоделью.
В четырнадцатилетнем возрасте участвовала в конкурсе «Мисс Италия», а годом позже победила на аналогичном конкурсе местного значения, в своём родном городе Виареджо.
Однако по-настоящему для кино ее открыл Пьетро Джерми, поручив юной исполнительнице главные роли в своих сатирических комедиях 'Развод по-итальянски' (Divorzio All'italiano, 1961) и 'Соблазненная и покинутая' (Sedotta E Abbandonata, 1964), в которых ее игра не уступала мастерству маститых партнеров. Она снискала известность благодаря фильму Пьетро Джерми «Развод по-итальянски», где её партнёром был Марчелло Мастроянни; финальные кадры фильма, где Стефания предстаёт в бикини, позволили широкой публике в полной мере оценить её внешние данные.
Однако дальнейшие роли Сандрелли продемонстрировали, наряду с отличной внешностью, её незаурядный талант. Следующая картина Джерми – «Соблазнённая и покинутая» и особенно фильм Антонио Пьетранджели «Я её хорошо знал» закрепили успех. Сандрелли приглашали режиссёры из Франции, в том числе Жан-Пьер Мельвиль и Жан-Пьер Моки; из Испании (Бигас Луна); знаменитый португальский режиссёр Маноэль Оливейра («Разговорное кино»).
Снимаясь в фильмах разных жанров у режиссеров Пьетро Джерми, Марио Моничелли, Луиджи Коменчини и др., становится одной из ведущих актрис итальянского кино.
Зрелым профессиональным мастерством отмечены ее работы в фильмах Бернардо Бертолуччи 'Партнер' (Il Sosia, 1968), одну из лучших ролей Сандрелли сыграла в фильме Бернардо Бертолуччи «Конформист» (Il Conformista 1970) и 'Двадцатый век' (Novecento, 1976), а также в лентах Этторе Сколы 'Мы так любили друг друга' (C'eravamo Tanto Amati, 1974), 'Терраса' (La Terrazza, 1979), 'Семья' (La Famiglia, 1987). Актриса ярко выраженных режиссерских предпочтений, она снималась также у зарубежных постановщиков: 'Маги' (Les Magiciens, 1975, Франция) Клода Шаброля, 'Полицейский пистолет 'Питон-357' (Police Python.357, 1975, Франция) Алена Корно, 'Учитель плавания' (Le Maitre-naguer, 1978, Франция) Жана-Луи Трентиньяна, 'Топить запрещено' (Noyage Interdite, 1987, Франция) Пьера Гранье-Дефера, 'Африканка' (L'africana, 1990, совместно с Германией и Францией) Маргерет фон Тротты.
В последнее десять лет часто снимается в телефильмах.