Après avoir été formée au Studio Théâtre d’Asnières, Sarah Stern intègre en 2006 la Royal Academy of Dramatic Art de Londres. Cette année-là, elle obtient son premier rôle au cinéma dans Les Amants du Flore, réalisé par Ilan Duran Cohen. En 2007, elle joue dans Ce soir je dors chez toi d’Olivier Baroux, puis tourne ensuite dans Comme un homme de Safy Nebbou (2011), Je n’ai rien oublié de Bruno Chiche (2011), Tiens-toi droite de Katia Lewkowicz (2014), Planetarium de Rebecca Zlotowski (2016) ou encore Matilda du réalisateur russe Alekseï Outchitel (2017). En 2012, elle incarne Jeanne de Berry dans la saison 2 de la série Borgia, puis Zoé Passeron trois ans plus tard dans la série de science-fiction Trepalium pour Arte, réalisée par Vincent Lannoo. Depuis 2011, elle interprète Stéphanie Tuche dans la série de films Les Tuche d’Olivier Baroux.
