Сара Кэтрин Полсон родилась 17 декабря 1974 года в городе Тампа, Соединенный Штаты Америки. До пяти лет жила в южной части города, но после развода родителей переехала в город Нью-Йорк с матерью. Лето проводила в штате Флорида с отцом. В детстве поняла, что хочет стать актрисой и начала выступать в местных театральных постановках.

После завершения средней школы в 1989 году Сара обучалась актерской профессии в Американской академии драматического искусства. В девятнадцать лет дебютировала на театральной сцене города Нью-Йорк.

В 1994 году состоялся дебют в кинематографе. Полсон снялась в эпизоде сериала «Закон и порядок», через год получила одну из центральных ролей в сериале ужасов «Американская готика». Следующей основной ролью на телевидении стала роль в сериале «Джек и Джилл».

С 1999 года актриса сыграла роли второго плана в кинофильмах «Другая сестра», «Ограбление», «Чего хотят женщины», «Путь к войне», «К черту любовь!» и «Миссия «Серенити». Первую главную роль получила в недолго просуществовавшем ситкоме 2002 года «Прыжок Хоуп», после чего сыграла в сериале «Дэдвуд».

В 2005 году Полсон дебютировала на бродвейской сцене в постановке «Стеклянный зверинец» с Джессикой Лэнг. В следующем году, привлекла к себе внимание критиков благодаря роли комедийной актрисы Гарриет Хейс в сериале «Студия 60 на Сансет-Стрип». За свою роль получила свою первую в карьере номинацию на премию «Золотой глобус» за лучшую женскую роль второго плана на телевидении.

В 2008 году Сара исполнила главную роль в сериале «Купидон». На большом экране снялась в фильме «Мститель», а между этим стала приглашенной звездой в сериалах «Отчаянные домохозяйки», «Закон и порядок: Специальный корпус» и «Анатомия страсти». Позднее снялась в кинофильмах «Марта, Марси Мэй, Марлен» и «Старый Новый год».

За роль политика-республиканки Николь Уоллес в телефильме «Игра изменилась» актрису номинировали на премию «Эмми» за лучшую женскую роль второго плана в мини-сериале или фильме, а также премию «Золотой глобус» за лучшую женскую роль второго плана - мини-сериал, телесериал или телефильм за свою роль в фильме в 2012 году.

В 2011 году снялась в первом сезоне сериала «Американская история ужасов». Затем получила на одну из главных ролей во втором сезоне шоу. За роль бесстрашной журналистки Ланы Уинтерс, ведущей героини второго сезона сериала, выиграла премию «Выбор телевизионных критиков» за лучшую женскую роль второго плана в мини-сериале или фильме и номинировалась на «Эмми».

В 2013 году исполнила роль жены персонажа Майкла Фассбендера в кинофильме «12 лет рабства», также вернулась в телесериал «Американская история ужасов». Через три года снялась в драме «Американская история преступлений». Роль прокурора Марши Кларк принесла актрисе первую в ее карьере премию Эмми в номинации за лучшую женскую роль в мини-сериале.

Сара получила одну из главных ролей в фильме «За пропастью во ржи» в 2017 году.