Sandra Anette Bullock 1964. július 26-án született a virginiai Arlingtonban. Édesapja, John Bullock énektanár, édesanyja, a német származású Helga Meyer pedig operaénekesnő volt. Azt valószínűleg kevesen tudják, hogy édesanyja révén a német szinte második anyanyelve, és a mai napig saját maga szinkronizálja németre filmszerepeit. Sandra húgával együtt állandó utazások közepette nőtt fel. Még kislányok voltak, amikor a család az Egyesült Államokból Európába költözött, így a kis Sandra közel tizenkét évet töltött Németországban, és más európai országokban. Sandra előadókedve már akkor sem ismert határokat. Szinte bármilyen produkcióban szívesen turnézott, amelyben édesanyja is szerepelt. Énektehetsége már fiatal korában megmutatkozott. Több gyermekkórussal is turnézott, és később többek között ez az adottsága segítette hozzá egyik első komoly szerepéhez az Amit szerelemnek hívnak (1993) című filmben, amelyben egy feltörekvő countryénekest alakít. Ráadásul a filmben énekelt egyik dalát saját maga szerezte. Az egyetlen műfaj, amit ennek ellenére - saját bevallása szerint - ki nem állhat, az a musical. Megfogadta, hogy soha nem lép fel ilyen darabban.
Örökmozgó kislányként kétszer is majdnem meghiúsult színészi karrierje. A bal szeménél lévő maradandó sebhelyét akkor szerezte, amikor beleesett egy tóba, és szemhéját felvágta egy szikla. Húga pedig garázsuk ajtajának felnyitása közben törte el könyökével óvatlanul arra tébláboló nővére orrát. Családjával együtt tinédzser korában költöztek vissza Washington környékére. Bár amerikai osztálytársai sokat csúfolták „ronda ruháiért" (amelyeket Németországból hozott magával),
a középiskolában ő volt az osztály mókamestere. Mindig meg tudta nevettetni a társait, ezért az osztály neki ítélte az „Aki legvalószínűbb, hogy fel fogja dobni a napodat" díjat. Ezt a jó tulajdonságát környezete szerint máig sikerült megőriznie.