Sacha Modolo inizia a gareggiare a nove anni e vince ottanta corse da giovanissimo, ventotto da esordiente, dodici da allievo e tredici da junior[2]. Ha esordito con il Pedale Marenese, squadra con la quale ha corso fino alla categoria Allievi.
Nel 2004 passa negli Juniores tra le file della CIEFFE Vittorio Veneto diretta da Roberto Sant, con il quale stringerà un forte legame, oltre alle tredici vittorie si aggiunge un terzo posto a Lari (Pisa) al campionato nazionale su strada Juniores2004, mentre l’anno seguente conquista il Trofeo San Rocco, gara nazionale a Peccioli.
Nel 2012 alla prima tappa del Circuit de la Sarthe arriva secondo battuto in volata dal russo Denis Galimzjanov ma dopo la squalifica di quest'ultimo, trovato positivo al controllo antidoping, gli viene assegnata la vittoria[7]. In stagione partecipa al Giro d'Italia con l'obiettivo di vincere almeno una tappa, ma pur facendo lavorare la squadra negli ultimi chilometri degli arrivi in volata ottiene solo alcuni piazzamenti, quarto nella frazione di Cervere e quinto in quella di Fano. In estate, dopo le due vittorie di tappa al Giro d'Austria, viene convocato dal C.T. della Nazionale Paolo Bettini per la prova in linea su strada dei Giochi olimpici di Londra; chiude però solo novantanovesimo. Torna comunque al successo poche settimane dopo, facendo sua la Coppa Bernocchi a Legnano.
Alla fine del 2012 la Colnago, sponsor principale della squadra, pone fine al rapporto con Bruno Reverberi[8]. Gli atleti, compreso Modolo, passano alla nuova squadra di Reverberi, la Bardiani Valvole-CSF Inox[9]. Con la nuova maglia Modolo debutta al Tour de San Luis in Argentina, dove vince la seconda tappa battendo in volata Mark Cavendish. In seguito corre la Milano-Sanremo, ma le avverse condizioni meteo lo costringono al ritiro assieme a molti altri corridori. In maggio partecipa al Giro d'Italia, dove ottiene solamente dei piazzamenti di tappa, in particolare, nell'ultima frazione, è secondo alle spalle di Mark Cavendish. A luglio corre il Tour of Qinghai Lake, dove si aggiudica ben sei tappe in volata, stabilendo così un nuovo record di vittorie per la singola edizione della corsa asiatica; in agosto, dopo il secondo posto nella RideLondon, vince anche la Coppa Bernocchi per il secondo anno di fila e il Memorial Marco Pantani, portando a nove il bottino di successi in stagione.
2014-2017: Lampre/UAE Emirates
Sacha Modolo vittorioso al Tour de San Luis 2014
Nel 2014 passa al team World Tour Lampre-Merida, diretto da Giuseppe Saronni, e come l'anno prima ottiene subito una vittoria di tappa al Tour de San Luis. Spostatosi a Maiorca per le tradizionali gare di febbraio, si aggiudica il Trofeo Palma de Mallorca e il Trofeo Ses Salines, mentre in Portogallo, pochi giorni dopo, vince una tappa alla Volta ao Algarve. Ottavo alla Milano-Sanremo, torna alla vittoria a inizio aprile facendo sue due frazioni e la classifica a punti alla Driedaagse De Panne. Partecipa quindi alla Parigi-Roubaix, ma incorre in una caduta ed è costretto al ritiro: i postumi delle contusioni al costato lo costringono a saltare anche il Giro d'Italia[10]. Tornato alle corse a metà giugno, vince una tappa del Tour de Suisse, mentre al Tour de France deve ritirarsi nel corso della seconda tappa a causa di un'infezione polmonare[11]. Nel finale di stagione, dopo due quarti posti parziali al Tour de Pologne, conquista la frazione conclusiva del Tour of Beijing, ottavo successo del suo 2014.
Ancora in maglia Lampre, apre il 2015 con due terzi posti al Tour de San Luis. Alla Tirreno-Adriatico non è mai in evidenza, mentre in aprile, oltre a chiudere terzo in una tappa della Driedaagse De Panne, ottiene il primo successo stagionale, in una tappa al Presidential Cycling Tour of Turkey. Corre quindi il Giro d'Italia: nella "Corsa rosa", dopo il terzo posto allo sprint a Castiglione della Pescaia, vince la tredicesima tappa, da Montecchio Maggiore a Jesolo, davanti a Giacomo Nizzolo ed Elia Viviani; si ripete in volata cinque giorni dopo, il 27 maggio, vincendo la diciassettesima tappa (da Tirano a Lugano) davanti a Nizzolo e a Luka Mezgec. Conclude al terzo posto nella classifica a punti. Dopo il Giro ottiene due podi di tappa al Critérium du Dauphiné, prima di ritirarsi, ma nelle restanti gare europee in stagione non è più protagonista. Torna alla vittoria solo a fine ottobre, al Tour of Hainan in Cina, facendo sue due frazioni e le classifiche generale e a punti della corsa.
Nel 2017 disputa il Giro delle Fiandre da protagonista. Entra nell'azione decisiva imbastita dalla Etixx-Quick Step a circa 100 km dalla conclusione e riesce poi a restare con il gruppo che va a giocarsi lo sprint per il quinto posto, che perde da Alexander Kristoff, piazzandosi così sesto sul traguardo a 53" dal vincitore Philippe Gilbert. Successivamente partecipa al Giro di Croazia. Conquista la 1ª tappa, imponendosi in una volata di gruppo e vestendo così per un giorno la maglia di leader. Successivamente vince la 6ª e ultima tappa, che si conclude su un breve strappo nel cuore di Zagabria, grazie ad un allungo all'ultimo chilometro. Sul traguardo supera e precede di 2" il compagno di squadra Jan Polanc, Boy van Poppel e Vincenzo Nibali.[12]
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