Stefania debutta nel cinema appena quindicenne in un film di Mario Sequi "Gioventù di Notte" (1961). Sempre del '61 è la volta del film "Il Federale" di Luciano Salce in cui recita insieme ad Ugo Tognazzi. Nello stesso anno Pietro Germi la vuole nel ruolo, per lei determinante, di Angela, una giovanissima provocatrice, in "Divorzio all'Italiana" con Marcello Mastroianni. Lavora con i più grandi registi italiani, come Bertolucci, Luigi Comencini, Antonio Pietrangeli, Ettore Scola, Tinto Brass, Mario Monicelli, Carlo Lizzani nei più importanti di quegli anni.
Poi la sua carriera ha una svolta con "La Chiave" (1983) di Tinto Brass, dove il regista riesce a tirare fuori da una splendida Sandrelli vicina ai quaranta, una figura di donna dal morbido ma prepotente erotismo.
Lavora anche con registi stranieri, come Bigas Luna, Jean-Pierre Melville, Claude Chabrol, Margarethe Von Trotta.
Negli anni Novanta dà il meglio di sè nei film "Con gli occhi chiusi" (1994) di Francesca Archibugi nel ruolo di una madre malata, e nel ruolo della seducente 'nonna' di "Matrimoni" di Cristina Comencini. In teatro debutta nel 1992 con la pièce 'Le faremo tanto male' di Pino Quartullo di cui interpreta anche la versione cinematografica nel 1998. E' interprete anche di numerosi sceneggiati televisivi di grande successo, tra cui "I racconti del maresciallo" (1984) di Giovanni Soldati, "Come una mamma" (1991) di Vittorio Sindoni e per la Rai le prime tre serie di "Il Maresciallo Rocca" (1996,1998,2001) di Giorgio Capitani e per Mediaset le tre serie di "Il bello delle donne" (2001,2002, 2003).
Ha vinto il Nastro d'argento nel 1986 per "La famiglia" di Ettore Scola, nel 1988 per "Mignon è partita" e nel 2000 per "L'ultimo bacio" di Gabriele Muccino. Per questi due ultimi film ha vinto anche il David di Donatello.
Alla Mostra del cinema di Venezia nel 2005 le è stato consegnato il Leone d'oro alla carriera.
Inoltre è nel film drammatico "Un giorno perfetto" (2008) di Ferzan Ozpetek.
Ha realizzato il film drammatico "Christine Cristina" (2009) presentato fuori concorso alla quarta edizione del Festival Internazionale del Film di Roma.
Inoltre è nella commedia "La prima cosa bella" (2010).