Ses parents ont divorcé quand Sandra était toute petite. Elle a été élevée uniquement par sa mère jusqu'à ce qu'elle se remarie en 1950 avec Eugène Douvan, un entrepreneur immobilier new-yorkais.

Alexandra a pris le nom de son beau-père et les Douvan ont déménagé de Long Island à Manhattan en 1952. Elle a été inscrite à la Professional Children's School, une école dont le programme flexible était propice aux enfants interprètes.

Sandra Dee débute très jeune dans la vie professionnelle comme mannequin enfant. Plus tard on découvre son frais minois dans le Girl Scouts Magazine, elle tourne aussi des spots publicitaires pour de grandes marques comme Coca-Cola. Elle n’a pas encore douze ans, qu’elle est déjà un jeune mannequin teenager très sollicité. Mais elle souffrait d'anorexie nerveuse pour garder sa taille de mannequin, ayant trop maigri, elle a dû réapprendre à manger.

Après la mort de son beau-père, Dee et sa mère ont déménagé en Californie. A l'âge de 15 ans, Alexandra est découverte par le producteur Ross Hunter ce dernier l’a présenté à Universal Studio. Intéressé par ce joli brin de fille, dotée d’une énergie rayonnante, elle obtient un contrat cinématographique de sept ans. C'est à cette époque qu’Alexandra adopte le nom de scène Sandra Dee.

Bobby Darin avec Sandra Dee.

Ayant mis fin à sa carrière de mannequin, elle prend son envol en 1957 face aux caméras de Robert Wise dans un drame sentimental « Femmes coupables », elle est Evelyn, l’une des quatre sœurs néo-zélandaises où chacune se retrouve liée à un marine américain pendant la Seconde Guerre mondiale, avec Joan Fontaine, Piper Laurie, Jean Simmons et Paul Newman. Bien que le film n’obtient pas un grand succès, il jeta les bases de sa carrière.

En 1958 elle est en tête d’affiche de « Qu’est-ce que maman comprend à l’amour » de Vincente Minnelli, elle est Jane qui au grand désappointement de sa belle-mère, s'éprend d'un musicien italo-américain à la réputation sulfureuse (John Saxon) avec Rex Harrison et Kay Kendall ses parents.

Le réalisateur allemand Helmut Käutner, l’invite dans son drame « Des yeux pour pleurer » (1958) où deux jeunes adolescents innocents Melinda et Will (Sandra Dee et John Saxon) se découvrent des sentiments amoureux dans une ville où les mensonges et les bouches bavardes spéculent sur le passé de la mère de Melinda au comportement étrange, menaçant ainsi leur relation.

Elle rayonne de fraicheur dans la comédie sentimentale de Delmer Daves « Les amants de vingt ans » (1959) où en vacances avec ses parents, (Richard Egan et Constance Ford) elle trouve l’amour avec Bart (Arthur Kennedy) le fils d’un ami de son père.

Elle prend de la maturité avec le mélodrame « Mirage de la vie » (1959) de Douglas Sirk, Lora (Lana Turner) souhaite devenir actrice de cinéma, elle élève seule sa fille Susie, (Sandra Dee), qui s’affronte souvent avec sa mère, mais femme ambitieuse et sans scrupules, pour démarrer sa carrière, Lora prend une gouvernante (Juanita Moore) qui tient le rôle bouleversant d’une femme noire rejetée par sa propre fille Sarah (Susan Kohner), Juanita meurt de chagrin, soutenue par Susie, Sarah se jette sur le cercueil en demandant pardon à sa mère.

Autre comédie sentimentale, destiné à un jeune public, « Un amour de vacances » (1959) de Paul Wendkos pendant ses vacances d’été à la plage Gidget (Sandra Dee) découvre le surf et l’amour auprès d’un jeune surfeur Moondoggy (James Darren).

Devenue très populaire auprès du public adolescent, elle remporte un Golden Globe Award en 1959 comme l'une des nouvelles actrices les plus prometteurs de l'année.

Dans la première partie des années soixante, Sandra Dee a pour partenaire, dans trois productions cinématographiques, le chanteur Bobby Darin, qui deviendra son époux de 1960 à 1967, ils ont eu un fils Dodd Mitchell Darin né en 1961, ils se sont rencontré lors du tournage de « Le rendez-vous de septembre » sorti en (1961) de Robert Mulligan, aux côtés de Rock Hudson et Gina Lollobrigida ; suivi de « Un mari en laisse » (1962) de Henry Levin, elle campe une femme mondaine qui tient bien en laisse son mari Eugene et se met vigoureusement en tête à faire de lui le mari parfait; et en 1964 un conte romantique, très drôle et divertissant avec d’adorables étincelles entre Bobby Darin et Sandra Dee tout à fait sexy dans « Chambre à part » de Richard Thorpe. Le couple apparaîtra également dans deux téléfilms.

Elle est particulièrement odieuse dans « Meurtre sans faire-part » (1960), de Michael Gordon, Sheila (Lana Turner) est la maitresse du docteur Rivera (Anthony Quinn) avec qui elle a fomenté le meurtre de son cruel mari (Lloyd Nolan), mais un maître-chanteur se manifeste et empoisonne la vie des deux amants ; Sandra Dee, la belle-fille de Sheila avec qui elle entretient une relation glaciale est la petite amie de Blake Richards (John Saxon) en pleine crise financière, ces deux là pourraient bien être les auteurs des lettres anonymes. Dans la comédie dramatique de Peter Ustinov, « Romanoff et Juliette» (1961) vaguement basée sur la tragédie de William Shakespeare, Roméo et Juliette , John Gavin et Sandra interprètent les deux amants; elle joue la fille de James Stewart qui à bien du mal à comprendre sa fille dans « Ah ! si papa savait ça » (1963), d’Henry Koster ; elle côtoie aussi Maurice Chevalier dans une comédie de vaudeville « Deux fiancés sur les bras » (1964), Cynthia (Sandra Dee) est la plus proche parente et héritière de son grand-père mourant (Maurice Chevalier), il souhaite avant de mourir connaître son prince charmant dont elle lui à si souvent parlé, mais la situation devient cocasse lorsque le fiancé (Andy Williams) n'est pas disponible et qu'elle persuade un jeune ingénieur chimiste (Robert Goulet) de prendre sa place et voilà que le grand-père récupère soudainement et secrètement et utilise la situation à son avantage jouant les entremetteurs pour tenter d'assurer le bonheur de sa petite-fille.

A la fin des années soixante, les goûts des spectateurs évoluent et sa carrière décline très rapidement. En 1970, après le film d’horreur « Horreur à volonté » de Daniel Haller, Sandra Dee disparaît des écrans de cinéma.

Elle trouve néanmoins quelques rôles dans des productions télévisées, telles que: « Le sixième sens », « Sergent Anderson » avec Angie Dickinson et « L’île fantastique » avec Ricardo Montalban.

Miss Dee fait un bref retour au cinéma en 1983 dans « Lost » de Al Adamson et en 1991, et se produit sur scène dans la pièce « Love Letters », en compagnie de John Saxon.

En 2000, les médecins lui diagnostiquent un cancer de la gorge et un problème aux reins. Elle sort vainqueur de son combat contre le cancer mais restera jusqu’à la fin de sa vie sous dialyse.

En 2004 le film « Beyond the Sea », relate la vie de Bobby Darin réalisé et interprété par Kevin Spacey, et Sandra est incarnée par Kate Bosworth.

La vie n’a pas toujours rose été pour l’ancienne idole. (Son fils Dodd Mitchell Darin qu’elle a eu avec Bobby Darin a plus tard écrit un livre sur ses parents, dans lequel il a raconté que sa mère : souffrait de problèmes de drogue et d'alcool et que très jeune elle a subit des abus sexuels de la part de son beau-père Eugène Douvan, un mal qui la pertuba toute sa vie.)

Sandra Dee décède le 20 février 2005, à l’âge de 62 ans à l’hôpital de Thousand Oaks, en Californie, des suites d’une infection rénale. Elle repose dans une crypte du cimetière Forest Lawn Memorial Park à Hollywood Hills, en Californie…

1959 - LAUREL D’OR - Meilleure nouvelle personnalité féminine, États-Unis.

1958 - GOLDEN GLOBE - Meilleur espoir féminin, États-Unis.