Nata a Tunisi da padre siciliano e madre toscana,[2] lì rimase fino al 1936 quando, costretta dalla guerra d'Africa, torna in Italia a Vicopisano, borgo medievale poco distante da Pisa in cui abitavano alcuni parenti della madre. Arrivata all'età di 3 anni nel borgo[3] con la madre, la nonna e la sorella vi frequentò l'asilo, vi fece la comunione e frequentò le scuole elementari sino alla quarta classe[4] ed al passaggio della guerra nel 1944. Adolescente si trasferì con la famiglia a Viareggio. Nel 1948, a 15 anni, sposò il marchese Cesare Rodighiero, da cui rimase incinta, ma il bambino morì alla nascita a causa del parto prematuro.[5][6] I due si separarono dopo soli 21 giorni dal matrimonio, ottenendo l'annullamento dal Tribunale della Rota Romana.[7] Milo esordì al cinema accanto ad Alberto Sordi in Lo scapolo (1955) di Antonio Pietrangeli. Riconoscibile per le sue forme prorompenti e vistose e per la voce ingenua da bambina, divenne una maggiorata del grande schermo e prese parte a numerosi film di genere.
Cruciale fu l'incontro con Federico Fellini, che contribuì alla sua maturazione artistica e con il quale cominciò anche una relazione clandestina durata 17 anni.[9] Nei due capolavori del maestro riminese 8½ (1963) e Giulietta degli spiriti (1965), "Sandrocchia" (così veniva affettuosamente soprannominata dal regista) recitò nei panni di una femme fatale, ironica e disinibita che, oltre a incarnare l'immaginario erotico del regista, venne spesso messa in contrasto con le mogli, donne dall'aspetto più dimesso e dalla mentalità più borghese. Per entrambi i film vinse il Nastro d'argento come miglior attrice non protagonista.
La sua burrascosa vita sentimentale, le nozze a quindici anni con il marchese Cesare Rodighiero nel 1948 (durate 21 giorni), la relazione durata undici anni con Moris Ergas (da cui nacque Deborah, giornalista televisiva) e una successiva unione con Ottavio De Lollis (con la nascita di Ciro e poi di Azzurra), misero in secondo piano un'intensa attività cinematografica, che Milo interruppe bruscamente nel 1968 in favore della famiglia. In seguito l'attrice affermò in un'intervista di aver subito dal suo ex marito Ergas gravi violenze fisiche, ma di aver preferito non denunciarlo.[10] Intervistata da Diva e donna, raccontò della guarigione della terzogenita Maria Azzurra, nata prematuramente al settimo mese di gestazione, che pareva morta alla nascita, ma tornò in vita. La chiesa cattolica riconobbe l'autenticità del miracolo durante il processo di beatificazione di suor Maria Pia Mastena, fondatrice delle Suore del Santo Volto.[11][12][13] La stessa Milo, anche in seguito all'episodio, si è dichiarata credente e cattolica.[14]
La partecipazione come conduttrice di un ciclo di cinque puntate di Studio Uno nel 1966 e l'intervista concessa a Luigi Silori per Uomini e Libri nel 1962 esauriscono le esperienze Rai della sua giovinezza artistica.
Passarono più di vent'anni prima che, aiutata dalla vicinanza con Bettino Craxi, tornasse alla conduzione televisiva su Rai 2, rete televisiva all'epoca controllata dal PSI secondo gli schemi della lottizzazione della Rai durante la Prima Repubblica. Nel 1982-1983 ha collaborato e condotto una rubrica di costume all'interno del programma d'approfondimento Mixer di Giovanni Minoli.
Dal 1985 al 1989 ha condotto Piccoli fans, trasmissione pomeridiana per bambini (antesignana di programmi come Ti lascio una canzone e Io canto), che ha lasciato un segno nella storia della TV italiana: la conduzione esageratamente ingenua e bambinesca di Sandra Milo (anche per la sua voce in falsetto) e una serie di situazioni grottesche la resero nuovamente famosa al pubblico italiano, tanto da riuscire a eclissare la stagione di successi cinematografici degli anni sessanta.
Sempre nel 1985 è stata coinvolta con l'allora marito Ottavio De Lollis e la figlia Azzurra, senza conseguenze, nella strage di Fiumicino. L'attrice era presente al check-in nei momenti della sparatoria che ha visto tredici vittime per mano dei sicari del terrorista Abu Nidal.[15]
Sandra Milo è entrata involontariamente nella storia della televisione italiana anche per uno scherzo telefonico messo in pratica ai suoi danni: l'8 gennaio 1990, durante la trasmissione pomeridiana L'amore è una cosa meravigliosa che condusse su Rai 2 nella stagione 1989-1990, una telefonata anonima di una voce femminile in diretta informò la presentatrice che suo figlio Ciro era ricoverato in ospedale in gravi condizioni in seguito a un incidente stradale. La Milo non riuscì a trattenere le lacrime e scappò disperata dallo studio.[16] La notizia dell'incidente era falsa, ma le urla della sconvolta conduttrice vennero riprese da trasmissioni come Blob, Striscia la notizia e Target, rendendole tanto popolari da essere citata nella canzone La strana famiglia di Giorgio Gaber ed Enzo Jannacci, incisa nel 1991. Successivamente ispirò il titolo di una trasmissione satirica di Italia 1: Ciro, il figlio di Target. L'autrice della telefonata non fu mai individuata (si era presentata alle centraliniste con il nome di Maria Ramondio, che si rivelò una falsa identità), ma fu individuato il telefono da dove era stata fatta, che si trovava all'interno degli uffici Alemagna di via del Corso a Roma.[17]
Lasciata la Rai, nella stagione 1991-1992 Milo approdò alla Fininvest (divenuta Mediaset nel 1996) per succedere a Enrica Bonaccorti nella conduzione del quiz Cari genitori, in onda dal lunedì al venerdì nella fascia mattutina di Rete 4. In seguito fu protagonista sulla stessa rete di una parodia musicale a puntate della telenovela La donna del mistero intitolata La vera storia della donna del mistero, al fianco di Patrizia Rossetti, dei Ricchi e Poveri e di altri. In seguito tornò di nuovo in Rai dove ha presentato, dal 1992 al 1994, il varietà domenicale Giorno di festa su Rai 2.
Sandra Milo a Venezia nel 1988
Nel 1995 ha dichiarato a una televisione privata iraniana di avere una collezione di mutandine di circa 60 000 esemplari. Tale dichiarazione suscitò la reazione del governo di Teheran, che le negò il visto turistico per il transito nel paese.
Nel 1999 la Milo patteggiò una pena a tredici mesi di reclusione e a un milione e trecentomila lire di multa per aver concorso, assieme all'allora compagno Giuseppe Lo Presti, a una truffa immobiliare ai danni di tredici privati e otto banche per l'ammontare di circa 3 miliardi di lire. I due facevano firmare false procure a persone interessate a vendere immobili di ingente valore, per poi acquistarli e con essi ottenere mutui presso istituti di credito.[21]
Dal 2006 è stata in tournée nei teatri italiani con la commedia 8 donne e un mistero, tratta dall'omonimo film francese del 2002. Nel 2007 è stata protagonista, con Barbara D'Urso e Maurizio Micheli, della commedia teatrale Il letto ovale, diretta da Gino Landi.
L'11 febbraio 2007, durante un'intervista nel corso del programma Buona Domenica di Canale 5, ha raccontato[22] di aver contribuito molti anni prima ad alleviare le sofferenze della madre in fin di vita, schierandosi apertamente a favore dell'eutanasia. Nel racconto l'attrice ha sostenuto che la madre "si stava consumando con un dolore immenso e senza fine". "Così, mi chiese di aiutarla a morire" ha proseguito Milo, piangendo. "Mi ha fatto uscire dalla stanza, ed è morta, sola, come lei voleva. Non credo che sia vero quando si dice che tutto questo è falsa pietà. So che c'è molta gente a favore e molta contro, ma bisogna provarlo, come si fa a dire 'no, continua a soffrire', se sai che quella persona non avrà scampo a causa del male che l'ha colpita? La gente deve poter morire con dignità."
È stata tra i concorrenti del reality show L'isola dei famosi 7, in onda dal 24 febbraio 2010, arrivando in semifinale. Nello stesso periodo è uscita nelle sale cinematografiche la commedia di Gabriele Salvatores, Happy Family, che annoverava la Milo tra i protagonisti. Nel 2011 è stata in tournée con Il club delle vedove, per la regia di Caterina Costantini. Nel 2013 è stata protagonista della commedia teatrale Federico... Come here, scritta da Nicola Bonimelli, con la regia di Walter Palamenga. Dal 2013 al 2015 è stata in tournée con Harry & Sally 9 mesi dopo, con la regia di Claudio Insegno. A ottobre 2016 recitò nella commedia teatrale Una fidanzata per papà, con Stefano Antonucci, Savino Zaba e Angela Melillo.
Nel luglio 2017, ad Alghero (SS), ha ricevuto il Grand Prix Corallo alla carriera.