Es conocida por su papel en la serie televisiva Little House on the Prairie, donde interpretaba a la segunda hija de Charles Ingalls (interpretado por Michael Landon), Laura Ingalls Wilder.

Melissa obtuvo el papel de Laura Ingalls Wilder para Little House on the Prairie, tras superar un casting al que se presentaron otras quinientas actrices jóvenes, en parte por su parecido con los actores Karen Grassle y Michael Landon.

Melissa y su hermano Jonathan Gilbert trabajaron juntos, ya que Jonathan hacía el papel de Willie en Little House on the Prairie, y, también, había tenido una participación en la película The Miracle Worker.

Sara participaría más tarde en la serie de televisión estadounidense Roseanne.

En 2007 trabajó junto con Brad Johnson, Liana Liberato, Rebeca Staab y Brittany Lane Stewart en la película Safe Harbour, dirigida por Bill Corcoran sobre una novela de Danielle Steel.