Elle est née le 20 Juillet 1971 à Nepeandans l'Ontario.

Élevée par des parents coréens près d'Ottawa au Canada, Sandra Oh prend des cours de ballet dès son plus jeune âge pour faire ses débuts sur scène à 10 ans. Après trois années à la prestigieuse "École Nationale de Théâtre du Canada", elle obtient en 1993 le premier rôle du téléfilm The Diary of Evelyn Lau, l'histoire vraie d'une poète torturée au destin tragique.

Elle apparaît sur grand écran dès l'année suivante dans le drame Double Happiness (1994) avant de se joindre à la pitrerie de Rowan Atkinson, Bean (1995). En 1998, elle tient un rôle dans le mystérieux Violon rouge, un film canadien largement récompensé aux Genie Awards. Elle enchaîne avec des seconds rôles dans le thriller Le Fantôme de Sarah Williams (2000), puis la comédie Méchant menteur (2002). Elle côtoie ensuite successivement Bill Pullman alias Rick (2003), Diane Lane dans Sous le soleil de Toscane (2003) ainsi qu'Heather Graham dans Cake (2005).

Sandra Oh mène également une riche carrière sur le petit écran. Elle joue les guest-stars dans Lonesome Dove: The Outlaw Years (1996) et Kung Fu : La légende continue (1996). La même année, elle devient Rita Wu dans la série de HBO Arli$$, rôle qu'elle tient pendant 7 saisons. En 2001, elle passe par Six Feet Under (2001) et Amy, puis prête sa voix à l'un des personnages de The Proud Family jusqu'en 2005. Elle intègre la même année le Seattle Grace Hospital en tant qu'interne dans la série à succès Grey's Anatomy (2005) sur ABC.