Originaria dello stato dello New Jersey è figlia di John Zuck e Mary Cymboliak (di origini ucraine). Successivamente i genitori divorziarono e la madre si risposò con Eugene Douvan. Il suo nome Alexandra venne abbreviato in Sandra quando iniziò a lavorare come modella, mentre il cognome venne sostituito in Dee come l'iniziale del suo patrigno. Iniziò la carriera di modella già all'età di quattro anni, ma ebbe successo e notorietà nel campo all'età di 12 anni. La grande occasione la ebbe nel 1957, all'età di 15 anni, con la partecipazione al film Quattro donne aspettano . Nel 1958 vince un Golden Globe come "Most Promising Newcomer". In seguito la sua carriera cinematografica giunge all'apice diventando celebre per le sue interpretazioni in ruoli da ragazzina ingenua in film come Lo specchio della vita, I cavalloni (1959). Soprattutto Scandalo al sole (sempre 1959)  fece scalpore con scene osé per quei tempi. Da ricordare che ebbe ben 12 nomination a vari premi per le sue interpretazioni. A seguito di questi grandi successi di pubblico, Sandra conobbe Bobby Darin che divenne suo marito il 1º dicembre 1960, appena compiuti i 18 anni.  In questo periodo girò con il marito alcune pellicole come Torna a settembre e Una sposa per due . Il 16 dicembre 1961 nasce il suo unico figlio Dodd Mitchell Darin, mentre dal marito divorzia nel marzo del 1967. Negli anni settanta la sua presenza sugli schermi divenne sporadica. Il suo personaggio resta fonte di ispirazione per la canzone Look At Me, I'm Sandra Dee, tratto dal celebre musical di Broadway del 1972 Grease. La canzone riapparirà nella versione cinematografica del 1978. La sua relazione con Bobby Darin è stata rappresentata in un film uscito nelle sale cinematografiche nel 2004, intitolato Beyond the Sea. Sandra Dee in un'intervista ha ammesso di aver sofferto per molta parte della sua esistenza di anoressia nervosa, depressione e alcolismo questo a causa delle violenze che aveva subito da piccola da parte del patrigno (come raccontato nel libro pubblicato nel 1994 dal figlio Dodd sulla vita dei genitori). Sandra Dee morì nel febbraio 2005 all'età di 62 anni per complicazioni renali. È sepolta nel "Forest Lawn Memorial Park Cemetery" ad Hollywood, non lontano da sua madre Mary, morta nel 1987.