Gilbert se graduó en la Universidad de Yale en 1997, con honores, especializándose en arte con énfasis en fotografía.

A partir de 2004, tuvo un papel recurrente como la inteligente y sarcástica estudiante de medicina Jane Figler en la serie dramática hospitalaria ER; sus apariciones abarcaron las temporadas 11-13.

También tuvo un papel recurrente en la sitcom de corta duración CBS The Class como Fern Velch.

En enero de 2009, se anunció que los guionistas no sabían cómo escribir para su personaje a tiempo completo, y su estatus se redujo de regular a recurrente.

Gilbert ganó un Daytime Emmy en 2016 por Outstanding Entertainment Talk Show como productora y creadora del programa.

Esa serie, The Conners, con todo el reparto habitual excepto Barr, se estrenó en octubre de 2018, con Gilbert como protagonista y productora ejecutiva.

[14]​ En 2019, Sara, junto a Tom Werner lanzaron Sara+Tom, combinando dos compañías, su brazo Gilbert TV, y Werner Entertainment, ambas funcionando tras el éxito de The Conners.

Gilbert apareció en dos películas junto a Drew Barrymore, en Hiedra Venenosa en 1992 y Riding in Cars with Boys en 2001.

Ha tenido varios papeles menores después de Roseanne, incluyendo el cortometraje $30 (también conocido como 30 Bucks) como parte del largometraje Boys Life 3, y Alta Fidelidad.

[19]​ Durante muchos años, Gilbert mantuvo en secreto su sexualidad y optó por no hablar públicamente de su vida personal.

[21]​ Tras la ruptura, Gilbert inició una relación con la compositora, productora musical y exlíder de 4 Non Blondes, Linda Perry.