Sadie Sink è nata a Brenham, in Texas. Suo padre è un allenatore di rugby e sua madre un'insegnante di matematica. Ha tre fratelli maggiori e una sorella minore. Al contrario della sua famiglia che era orientata allo sport, si interessò sin da piccola alle arti dello spettacolo. Ha iniziato a recitare in un teatro di comunità vicino a Houston, iniziando con una produzione di The Best Christmas Pageant Ever all'età di sette anni. Ha in seguito fatto un provino e ottenuto la parte del ruolo principale in una produzione teatrale locale de Il giardino segreto. Dopo questa esperienza, decide di intraprendere ulteriormente la carriera di attrice.
Si è esibita in spettacoli teatrali al Theatre Under the Stars di Houston durante la stagione 2011-2012, tra cui le produzioni musicali di White Christmas e il ruolo da protagonista nel revival di Annie a Broadway. Nel 2013 fa il suo debutto televisivo in un episodio della serie The Americans. L'anno seguente ha un piccolo ruolo nella serie Blue Bloods. Nel 2015 interpreta Suzanne Ballard nella serie thriller American Odyssey e una giovane regina Elisabetta II, al fianco di Helen Mirren, nella produzione teatrale di Broadway The Audience. Nel 2016 interpreta Kimberly nel film sportivo The Bleeder - La storia del vero Rocky Balboa ed appare in un episodio della sitcom Unbreakable Kimmy Schmidt. L'anno seguente interpreta la giovane Lori Walls nella pellicola biografica Il castello di vetro.
Sempre nel 2017 prende parte all'acclamata serie televisiva su Netflix, intitolata Stranger Things, vestendo i panni di Maxine "Max" Mayfield, a partire dalla seconda stagione. Grazie a questo ruolo ottiene il successo internazionale, ricevendo due candidature agli Actor Awara come miglior cast in una serie drammatica. La sua performance nella quarta stagione della serie viene particolarmente apprezzata dalla critica. Nel 2018 collabora assieme a Rooney Mara, Sia, Joaquin Phoenix e Kat von D alla narrazione di Dominion, un documentario australiano sui diritti degli animali. Ha inoltre sfilato in passerella alla Paris Fashion Week, debuttando come modella all'età di 15 anni. Lo stesso anno la rivista The Hollywood Reporter la inserisce nella lista delle "30 migliori celebrità sotto i 18 anni", mentre Variety la inserisce nella "Young Hollywood Up Next Report". L'anno seguente ha un ruolo secondario nel film horror Eli.
Nel 2025 viene annunciato il suo ingresso nel cast del trentottesimo film del Marvel Cinematic UniverseSpider-Man: Brand New Day (diretto da Destin Daniel Cretton) in cui interpreta la giovane mutante telepatica Jean Grey, distribuito nelle sale cinematografiche statunitensi il 31 luglio 2026; nell'agosto 2026 viene annunciato che riprenderà il suo ruolo nei successivi film Avengers: Secret Wars (2027) e X-Men (2028).