Sabine Devieilhe besuchte ab ihrem zwölften Lebensjahr das Musikkonservatorium in Caen. 2008 begann sie ihr Gesangsstudium am Pariser Konservatorium und belegte zusätzlich die Fächer Musikwissenschaft und Cello. Bereits während ihres Studiums arbeitet sie mit verschiedenen Pariser Ensembles zusammen, wie Pygmalion, Les Cris de Paris. Les Arts Florissants und Les Musiciens du Louvre, und führt mit ihnen ein breites Repertoire an Musik aus der Barockzeit bis in die Gegenwart auf.

Nach ihrem Studium, das sie mit der Bestnote abschloss, bekam die Sängerin Einladungen von der Opéra de Montpellier, als Lakmé in Délibes gleichnamiger Oper, sowie vom Festival d'Aix-en-Provence, in der Oper Platée von Jean-Philippe Rameau. An der Opéra de Lyon sang sie erstmals die Königin der Nacht in Mozarts Die Zauberflöte. In dieser Rolle debütierte sie auch an der Pariser Oper. Weitere Debüts folgten am Brüsseler Opernhaus La Monnaie in der Titelrolle in Glucks Orfeo ed Euridice sowie beim Glyndebourne Festival in Ravels Oper L’enfant et les sortilèges. Ein Höhepunkt ihrer bisherigen Karriere war die Einladung an die Mailänder Scala in der Rolle der Blondchen in Mozarts Die Entführung aus dem Serail.

Als Konzertsängerin gastierte Sabine Devieilhe beim Orchestre de Paris, beim Schwedischen Rundfunk-Sinfonieorchester, beim Orchestre de Chambre de Lausanne und mit dem Philharmonia Orchestra in der Royal Festival Hall in London.

Mit ihrer Klavierpartnerin Anne Le Bozec gibt sie regelmäßig Liederabende.

2013 wurde Sabine Devieilhe mit dem Victoire de la Musique in der Kategorie Nachwuchssängerin des Jahres ausgezeichnet. In der gleichen Kategorie gewann sie 2014 auch den ECHO Klassik. Damit wurde ihr Debüt-Album Le Grand Théâtre de l'Amour gewürdigt, das zudem den Orphée Award der Académie du Disque Lyrique erhielt. Einen weiteren Victoire de la Musique bekam die junge Sopranistin 2015 als Opernsängerin des Jahres.