Sandra Bullock nació el 26 de julio de 1964 en Arlington, Virginia, Estados Unidos. Junto a sus padres, John Bullock  (n. 1925), especializado en la dirección vocal, y Helga Meyer  (n. 1942 – 2000), cantante de ópera de nacionalidad alemana. Bullock y su hermana Gesine vivieron su infancia en Alemania, apareciendo ocasionalmente como parte del coro  en las representaciones que llevaba a cabo su madre. Vivió en la localidad alemana de Núremberg  hasta los doce años, además de residir por breves períodos en Salzburgo y Viena, Austria. Por ello habla alempan  con fluidez y tiene la doble nacionalidad, estadounidense  por lugar de nacimiento y alemana por su madre-. Estudió Ballet cuando era pequeña y toca el piano desde que tiene ocho años de edad.

En el colegio sufrió acoso por parte de sus compañeros que la hacían blanco de sus burlas por llevar ropa comprada en Europa  y por tener poco pecho. Durante la época del instituto destacó como gimnasta y formó parte del equipo de animadoras. En su país natal encaminó sus pasos en el mundo de la actuación, matriculándose en la Universidad de California del norte , a la que acudió entre 1982 y 1986, para estudiar interpretación, dejando de lado su intención inicial de dedicarse a la música. Posteriormente se trasladó a la ciudad de Nueva York, donde trabajó como camarera mientras acudía a audiciones para encontrar trabajo como actriz.