Stefania Sandrelli debutó en el cine a los quince años, en 1961, en Il federale, de Luciano Salve, y a este título le siguió, el mismo año, la comedia Divorzio all’italiana (Divorcio a la italiana), de Pietro Germi, con Marcello Mastroianni. En 1964, Germi le ofreció su primer papel protagonista en Sedotta e abbandonata (Seducida y abandonada). A continuación trabajó en algunas películas importantes, lo que la situó entre las grandes actrices italianas. Entre otros títulos se pueden citar: Il conformista (El conformista), de Bernardo Bertolucci (1970); Brancaleone alle Crociate, de Mario Monicelli (1970); y uno de sus papeles más conocidos en C’eravamo tanto amati (Una mujer y tres hombres), de Ettore Scola (1974), o el de Novecento, de Bernardo Bertolucci (1976).

Stefania Sandrelli ha trabajado con numerosos directores italianos, como Fellini, De Sica, Bertolucci, y con actores de renombre internacional, como Mastroianni, Nino Manfredi o Vittorio Gassman. A partir de los años noventa, participó en series televisivas italianas, pero siguió en el cine con títulos como Jamón, jamón, de Bigas Luna (1992), La cena, de Ettore Scola (1998), Un giorno perfetto, de Ferzan Ozpetek (2008); L’ultimo bacio (El último beso), de Gabriele Muccino (2001).

En 2005, recibió un León de Oro en el 62.º Festival de Venecia por el conjunto de su carrera. Además, ha obtenido tres premios David di Donatello: a la Mejor Actriz en 1989 por Mignon è partita, de Francesca Archibugi, y al Mejor Papel Femenino de Reparto en 2001 y 2002, por L’ultimo bacio (El último beso) e Hijos, de Marco Bechis.