Dee fue modelo profesional a los cuatro años de edad, trabajando posteriormente en publicidad televisiva, haciendo en este medio su primera película, Until They Sail, en 1957.

En 1958 ganó un Globo de Oro como actriz con más proyección (junto con Carolyn Jones y Diane Varsi).

Su madre se casó en segundas nupcias con un tal Duvan, que violó a la pequeña Sandra con tan solo 8 años.

Admitía que a lo largo de su vida había luchado contra la anorexia nerviosa, la depresión y el alcoholismo.

[1]​ Su vida con Bobby Darin fue dramatizada en la película de 2004 Beyond the Sea, donde Kate Bosworth la interpretaba.