Sara Ramirez è nata a Mazatlán, Sinaloa, una popolare spiaggia messicana nel Pacifico. All'età di otto anni si è spostata a Tierrasanta, in San Diego, California. Dopo il diploma conseguito al San Diego School of Creative and Performing Arts in San Diego, California, si è laureata alla Juilliard School in New York City, dove ha migliorato le sue abilità nella recitazione. Ha debuttato a Broadway recitando il ruolo di Wahzinak in The Capeman (1998) di Paul Simon. Nel 1999, è apparsa in The Gershwins' Fascinating Rhythm (1999) e ha ricevuto una nominatione per il premio Outer Critics Circle Award . È anche apparsa in A Class Act (2001), Dreamgirls (2001), e ha recitato in The Vagina Monologues con Tovah Feldshuh e Suzanne Bertish.

Sara Ramirez ha anche doppiato il personaggio principale del gioco per la PlayStation UmJammer Lammy (1999). Ha poi recitato in Grey's Anatomy nel ruolo della dott.ssa Calliope Torres dalla seconda stagione. Dalla terza stagione è nel cast fisso.