В четырнадцатилетнем возрасте участвовала в конкурсе «Мисс Италия», а годом позже победила на аналогичном конкурсе местного значения, в своём родном городе Виареджо. Снискала известность благодаря фильму Пьетро Джерми «Развод по-итальянски», где её партнёром был Марчелло Мастроянни; финальные кадры фильма, где Стефания предстаёт в бикини, позволили широкой публике в полной мере оценить её внешние данные.
Однако дальнейшие роли Сандрелли продемонстрировали (наряду с отличной внешностью) её незаурядный талант. Следующая картина Джерми — «Соблазнённая и покинутая» и особенно фильм Антонио Пьетранджели «Я её хорошо знал», закрепили успех. Сандрелли приглашали режиссёры из Франции, в том числе Жан-Пьер Мельвиль и Жан-Пьер Моки; из Испании (Бигас Луна); знаменитый португальский режиссёр Маноэль Оливейра («Разговорное кино»). Одну из лучших своих ролей Сандрелли сыграла в фильме Бернардо Бертолуччи «Конформист».
Дочь Стефании Сандрелли — Аманда Сандрелли — также известная итальянская актриса.