Sarah Ramos war bereits seit frühester Kindheit an der Schauspielerei interessiert. Sie übernahm Rollen in Werbespots und erhielt erste Beachtung in einer Hauptrolle im NBC-Drama American Dreams (2002-2005).
Für eine Episode war Ramos in der Comedyserie Scrubs (2005) zu Gast. 2006 übernahm sie eine Hauptrolle in der CW-Serie Runaway, jedoch wurde die Serie 2008 nach nur einer Staffel abgesetzt.
Es folgten Gastauftritte unter anderem in Law & Order (2007), Wizards of Waverly Place (2008) und Lie to Me (2009).
Schließlich erhielt sie eine Hauptrolle im NBC-Familiendrama Parenthood. Von 2010 bis 2012 spielte sie Haddie Braverman als Mitglied des Hauptcast. Als die Darstellerin ihr Studium an der Columbia University in New York begann, wurde auch Haddie in der Serie aufs College geschickt und Sarah Ramos kehrte bis zum Ende der Serie 2015 für einige Besuche ans „Parenthood"-Set zurück. 2012 führte sie Regie bei einem Cover-Musikvideo zum Song „Girl on TV" von Landon Pigg, bei dem der Großteil ihrer Parenthood-Kollegen mitspielte.
In den animierten Serien Family Guy (2011) und Robot Chicken (2012) lieh sie Figuren bei Gastauftritten ihre Stimme. 2013 hatte Ramos eine Gastrolle im Serienfinale der Medizinerserie Private Practice.
Sarah Ramos schrieb am Drehbuch für den Kurzfilm „The Arm" mit, bei dem sie auch Regie führte. Der Film konnte den Special Jury Prize for Comedic Storytelling beim Sundance Film Festival 2012 gewinnen. Auch beim Kurzfilm „Marry Me" führte sie Regie.
2017 übernimmt die Darstellerin eine Hauptrolle in der Serie Midnight, Texas.