Sandrine Piau studierte Harfe und Gesang am Pariser Konservatorium und schloss ihr Studium in Versailles ab. Sie wurde zunächst als Sängerin im Bereich der historischen Aufführungspraxis bekannt.

Ihr Repertoire besteht jedoch heute aus der Musik unterschiedlicher Epochen. So singt sie Werke von Johann Sebastian Bach, Claude Debussy, Wolfgang Amadeus Mozart, Christoph Willibald Gluck, Carl Maria von Weber und Benjamin Britten und anderen. Sie arbeitet überwiegend als Opern- und Konzertsängerin auf großen Bühnen. Sie hatte in den vergangenen Jahren Auftritte in London, Bologna, Bordeaux und bei den Festivals von Salzburg, Montreux, Aix-en-Provence, Drottningholm und Dresden. Als Sopranistin arbeitet sie auch mit den Berliner Philharmonikern zusammen.

Dirigenten, die mit ihr arbeiten, sind u. a. William Christie, Philippe Herreweghe, Frans Brüggen, Paul McCreesh, René Jacobs, Marc Minkowski, Kurt Masur und Jean-Christophe Spinosi. Sie veröffentlichte einige CDs mit Liedern von Debussy und Arien Mozarts. Als Spezialistin für Barockmusik hat sie sich einen hervorragenden Ruf ersungen, in Zusammenarbeit mit Christophe Rousset, Maurice Steger, Diego Fasolis und dem Freiburger Barockorchester.