Sarah Polley lahir dalam keluarga yang berkecimpung di dunia hiburan; ayah tirinya, Michael Polley, dan ibunya, Diane Polley, adalah aktor serta pengarah penomoran. Sejak kecil, dia telah memulai karier akting berkat koneksi sang ibu, mengikuti jejak kakaknya, Mark Polley.

Karier ciliknya melonjak setelah bermain sebagai Jody Turner dalam Lantern Hill (1989), meraih Gemini Award, dan kemudian memerankan Sara Stanley di Road to Avonlea. Kematian ibunya karena kanker saat dia berusia 11 tahun sangat mempengaruhi hidup dan karya seni Polley, serta mengekspresikan perjuangannya terhadap kehilangan dan perjuangan identitas.

Polley kemudian beralih ke dunia politik, aktif di Partai NDP Kanada, dan terlibat dalam aksi protes. Ia memenangkan perhatian kritikus melalui perannya dalam film The Sweet Hereafter (1997), yang menghadirkan citra dewasa dan menandai keberhasilannya di panggung internasional. Ia dikenal sebagai pribadi yang sangat menjaga privasi dan menolak kekuasaan star system Hollywood.

Setelah menolak tawaran main dalam Hollywood besar seperti Almost Famous, ia memilih film independen yang berdampak sosial dan artistik. Ia mengikuti program sutradara di Canadian Film Centre serta memproduksi film pendek dan mengembangkan kemampuan sebagai sutradara, berkolaborasi dengan sutradara terkenal seperti David Cronenberg dan Hal Hartley.

Menurut Polley, sebagai aktor, ia harus melayani visi sutradara dan memberinya sebanyak mungkin informasi agar film dapat disusun dalam proses editing. Pendekatan ini memperlihatkan bahwa ia lebih fokus belajar tentang teknik perfilman dan berkembang sebagai seniman film, baik sebagai aktor maupun sutradara.