Sandra Bullocks pappa, John W. Bullock (1925–2018), var amerikan och anställd i USA:s armé samt verkade bitvis som röstcoach. Hennes mamma, Helga Mathilde Meyer (1942–2000), var en tysk operasångerska och sångpedagog. Som barn bodde Bullock i Nürnberg. Hon var aktiv i teater, TV och film innan hon fick sitt stora genombrott med filmen Speed (1994) och hon blev snabbt en av Hollywoods populäraste och högst betalda skådespelerskor. Sedan andra halvan av 1990-talet har hon även verkat som filmproducent.
Hon var gift med bilmekanikern och TV-profilen Jesse James från 16 juli 2005, men sedan april 2010 är de skilda.[3] Hon har tidigare varit förlovad med Tate Donovan. Bullock adopterade en pojke, Louis Bardo Bullock, i januari 2010. Från 2015 hade Bullock ett förhållande med fotografen Bryan Randall, tills denne avled i augusti 2023 i ALS.
I december 2015 meddelade hon att hon adopterat en dotter, Laila Bullock.