Родился в семье коммерсанта, выходца из Берна, в доме говорили по-французски. Сначала много ездил по свету с родителями, потом всю жизнь переезжал с места на место, бывал в Китае, Монголии, Африке, Бразилии, США и других местах, сменил несколько профессий. В 1905—1907 годах оказался в Санкт-Петербурге, стал свидетелем Первой русской революции. В 1912 году опубликовал за свой счёт новаторский сборник стихов «Пасха в Нью-Йорке», близких к кубизму в пластике и глубоко повлиявших на современников. Сблизился в Париже с Аполлинером, Шагалом, Леже, Модильяни (художник написал портрет Сандрара), Архипенко, Соней и Робером Делоне. Соня Делоне иллюстрировала авангардистскую поэму-коллаж Сандрара «Проза о транссибирском экспрессе и маленькой Жанне Французской» (1913), в этом жанре своего рода киномонтажа работали потом Аполлинер (стихотворение «Зона»), Уидобро (поэма «С экватора»). Участвовал в Первой мировой войне, был ранен, лишился правой руки. В 1916 году стал гражданином Франции.
Всегда живо интересуясь всем новым, Сандрар увлёкся кино, снимался у Абеля Ганса, а потом работал у него ассистентом. Сотрудничал с труппой «Шведского балета» в Париже, в частности, с композитором Дариюсом Мийо, на основе африканских мифов написал для него либретто балета «Сотворение мира» (1921, пост. 1923, с декорациями Фернана Леже). Был также первоначальным автором либретто последнего нашумевшего балета Эрика Сати, поставленного «Шведским балетом» (декабрь 1924) в сильно переработанной версии Франсиса Пикабиа под дадаистским названием «Спектакль отменяется».
После 1925 года Сандрар больше не писал стихов. Автор новелл и романов, репортёрских очерков. Написал несколько киносценариев (по одному из них, «Золото Зутера», написанному на основе сандраровского романа «Золото», собирался ставить в Голливуде фильм С. Эйзенштейн).
В начале Второй мировой войны работал военным корреспондентом, после вторжения гитлеровских войск во Францию укрылся в Экс-ан-Прованс и три года ничего не писал. Вернулся к литературе, создав автобиографическую тетралогию (1945—1949). Сблизился с Робером Дуано, писал о его работах, Дуано оставил серию фотопортретов Сандрара.
Писатель умер 21 января 1961 года, похоронен на кладбище Батиньоль. В 1994 году его прах был перезахоронен на кладбище городка Трамбле-сюр-Модр в департаменте Ивелин, где Сандрар имел дом.
Кавалер Ордена Почётного легиона (1960), лауреат Большой литературной премии Парижа (1961). В 1978 создана Международная ассоциация Блеза Сандрара.