Sarah Polley est née le 8 janvier 1979 à Toronto au Canada.
Dès son plus jeune âge, la jeune fille rêve de rejoindre les studios de cinéma où ses parents travaillent. Elle souhaite devenir actrice, comme son père. Elle débute à l'âge de cinq ans dans One Magic Christmas, une production des studios Disney. La jeune fille joue ensuite son deuxième rôle en 1988 dans les Aventures du baron de Munchausen. La télévision fait décoller la carrière de l'actrice en 1989. Elle joue alors dans la série canadienne à succès Road to Avonlea.
Sa mère décède en 1990 alors qu'elle est âgée de 11 ans. Cette période marque une cassure dans la vie de l'actrice. Elle s'émancipe rapidement et quitte le domicile familiale à 14 ans. L'adolescente s'engage alors dans l'activisme politique pendant plusieurs années.
En 1994, Sarah Polley fait la rencontre d'Atom Egoyan. Une amitié se tisse et l'actrice tourne dans la comédie dramatique Exotica. Elle retrouve le réalisateur en 1997 dans De beaux lendemains. Le film lui permet d'accéder à la reconnaissance internationale. La carrière de la jeune actrice prend alors une nouvelle tournure. Les rôles qu'elle souhaite arrivent enfin à elle. Elle tourne sous la direction du réalisateur David Cronenberg en 1999, dans le diabolique eXistenZ aux côtés de l'acteur britannique Jude Law. Sarah Polley joue ensuite dans Redemption avec Milla Jovovich en 2001 puis dans le thriller Le poids de l'eau dans lequel l'actrice donne la réplique à Sean Penn.
En 1999, l'actrice s'essaie à la réalisation avec deux courts métrages, Don't Think Twice et The Best Day of My Life.
Sarah Polley reçoit les honneurs des critiques pour sa déchirante interprétation d'une mère de famille condamnée à 23 ans par la maladie dans Ma vie sans moi d'Isabel Coixet en 2003. Elle tourne l'année suivante dans le film d'épouvante L'armée des morts. Un véritable succès en salles. Isabel Coixet fait à nouveau appel à son actrice fétiche et tourne The Secret Life of Words en 2006.
Elle est à l'affiche de Mr.Nobody aux côtés de Rhys Ifans, Jared Leto et de Diane Kruger.
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