Урожденная Александра Цымбаляк Зак родилась 23 апреля 1942 года в Байонне, Нью-Джерси. Её мать была русинкой. Под именем «Сандра» она стала профессиональной моделью в возрасте четырёх лет. В эти же ранние годы, она снялась в телевизионной рекламе.
Неизвестен фактический год рождения актрисы. По свидетельству о рождении — 1942 год. Существует также подозрение, что актриса родилась на несколько лет позже — в 1944. В своей книге «Dream Lovers» Додд Дарин, сын актрисы, утверждает, что Сандра родилась в 1944 году. По словам автора книги, Сандра скрывала свой настоящий возраст для того, чтобы работать в кино.
Актёрский дебют Сандры Ди состоялся в 1957 году, когда молодая актриса снялась в фильме — «Пока не поплывут». Уже в 1958 Сандра выиграла премию «Золотой глобус» в номинации «Самый многообещающий дебютант» (вместе с Кэролин Джонс и Дайан Варси). Её кинокарьера стремительно развилась, и совсем скоро она получила известность благодаря своему удачно созданному образу — инженю в таких фильмах, как «Имитация жизни», «Гиджет» и «Летний домик» — фильмы 1959 года.
В 1970-х, актриса исполнила множество очень заметных ролей и приняла участие в некоторых телевизионных проектах. В 1950-х она вдохновила создание песни, «Look At Me, I’m Sandra Dee», которая была использована сначала в бродвейской постановке 1972 года — Grease, а позже в фильме 1978 года — «Бриолин»).
В возрасте 16 лет Сандра вышла замуж за известного в те годы американского певца Бобби Дарина. Брак Ди с музыкальной звездой привлекал внимание публики на протяжении десятилетия. После замужества актёрская карьера Сандры стала разиваться ещё более стремительно, и вскоре молодая актриса подписала контракт с кинокомпанией «Universal Pictures», которые предпринимали попытки сделать из юной Сандры Ди профессиональную актрису, способную воплотить зрелое совершенное исполнение женских ролей. Фильмы, в которых играла Ди, имели особый успех, когда в кинолентах принимал участие известный супруг актрисы — Бобби Дарин (они вместе снялись в 1961 году в «Приходи в сентябре», в 1962 году в «Если мужчина отвечает» и в 1965 году в «Это странное чувство», а их имена были даже упомянуты в словах для «Чоп Сьюи» (англ. Chop Suey) в песне Роджерса и Хаммерстайна «Песня барабана цветов» (англ. Flower Drum Song) в 1961. В браке у звёздной пары родился сын — Додд Митчелл Дарин (также известный как Морган Митчелл Дарин), но в 1967 году супруги развелись.
Поздние годы Ди были отмечены слабым здоровьем. Актриса признала, что большую часть своей жизни боролась против анорексии, депрессии и алкоголизма. В 2000 году, актрисе были диагностированы несколько тяжёлых заболеваний, включая рак горла и почечную недостаточность. Подозрение на рак, очевидно, было необоснованным. Болезнь почек, сопровождаемая пневмонией, привела к скоропостижной смерти 20 февраля 2005 года, в больнице «Los Robles Hospital and Medical Center», расположенной в городе Саузенд-Оакс, штат Калифорния. Ей было 62 года (по некоторым сообщениям, 60 лет).
Сандра Ди предана земле в городе Глендейл (штат Калифорния) на кладбище «Forest Lawn Memorial Park», расположенном на Голливудских Холмах (англ. Hollywood Hills) неподалёку от могилы своей матери, Мэри C. Доуван, умершей 27 декабря 1987 года.
В 1994 году, Додд написал книгу о своих родителях — «Любители Мечты: Великолепно разрушенные жизни Бобби Дарина и Сандры Ди» (англ. Dream Lovers: The Magnificent Shattered Lives of Bobby Darin and Sandra Dee), в которой он ведёт рассказ о проблемах анорексии своей матери, употребления ею различных психотропных препаратов и алкогольной зависимости. Додд также отмечает, что в детстве Сандра была подвергнута сексуальному насилию со стороны своего отчима, Юджина Доувана.
Её жизнь с Бобби Дарином была представлена в фильме 2004 года — «У моря», в котором роль Бобби Дарина исполнил Кевин Спейси, а роль Сандры Ди исполнила — Кейт Босуорт.