Сондра Локк родилась в штате Теннесси в городе Шелбивилл. В 1965 году после окончания школы поступила в университет, но через год бросила учёбу ради артистической карьеры. В 1967 году она снялась в фильме «Сердце - одинокий охотник» в роли Мик Келли. За эту роль в 1968 году она номинировалась на премию «Оскар», как за лучшую женскую роль второго плана. В 1967 году она вышла замуж за своего школьного друга Гордона Андерсона, который был геем. Причём сама Сондра Локк знала об этом. Впоследствии в своей автобиографии Сондра Локк писала, что между ними не было никаких сексуальных отношений. Позднее они расстались, но не разводились и остались друзьями.
В 1976 году Сондра Локк снялась в фильме «Джоси Уэйлс - человек вне закона» вместе с Клинтом Иствудом. Со времени съёмок фильма у неё с ним завязались отношения, которые продолжались 14 лет. За это время она снялась в нескольких фильмах Иствуда, а также он продюсировал съёмки двух её фильмов. В 1990 году они расстались, причём Сондра Локк обратилась в суд с требованием взыскать с Иствуда 1 300 000 долларов. Кроме того, она утверждала, что Иствуд заставил её сделать два аборта и провести перевязку маточных труб.
В 1993 году она обратилась в суд с иском к компании «Warner Bros.», в котором указывалось, что компания подсунула ей фиктивный контракт и не собиралась продюсировать её фильмы и давать ей режиссёрские полномочия, потому что настоящий контракт был выкуплен Клинтом Иствудом. В 1999 году они завершили тяжбы, урегулировав свои отношения.
За время своей творческой карьеры снялась в целом ряде фильмов, снималась в телевизионных сериалах, а также сняла 4 фильма.
С 1999 года она отошла от карьеры в кино.
В 1990 году у Сондры Локк был диагностирован рак молочной железы и ей пришлось пройти длительный курс лечения. В настоящее время никаких следов рака в её организме нет.
В настоящее время, после продажи дома в Лос-Анджелесе, она живёт в Голливуд Хиллс в собственном особняке вместе со своим компаньоном.