Originaire de Leominster, dans le Massachusetts, Sara Colangelo étudie l'Histoire à l'université Brown avant d'obtenir un master en réalisation à la division cinéma de l'université de New York. Son court métrage documentaire Halal Vivero est finaliste national des Student Academy Awards en 2006, tandis que son film de fin d'études, Little Accidents, centré sur une communauté minière américaine frappée par la tragédie, est présenté au Festival de Sundance en 2010 avant d'être développé en long métrage avec le soutien des laboratoires d'écriture et de réalisation de Sundance : le film obtient sa première mondiale au festival en 2014 puis une nomination à l'Independent Spirit Award. En 2018, elle réalise et adapte The Kindergarten Teacher, remake américain du film israélien de Nadav Lapid porté par Maggie Gyllenhaal, qui lui vaut le prix de la meilleure réalisation dans la compétition dramatique du Festival de Sundance avant d'être distribué par Netflix. Elle signe ensuite Worth, drame biographique porté par Michael Keaton dans le rôle de l'avocat Kenneth Feinberg, chargé d'administrer le fonds d'indemnisation des victimes du 11 septembre : le film est présenté au Festival de Sundance 2020 avant sa sortie sur Netflix l'année suivante.
Son enfance dans une petite ville du Massachusetts, où elle raconte avoir eu une institutrice de maternelle exubérante et passionnée d'art, influence directement la conception du personnage principal de The Kindergarten Teacher, tiraillée entre son cadre scolaire terne et ses aspirations artistiques. Sa formation universitaire en Histoire nourrit son goût pour les récits ancrés dans des faits réels documentés, comme en témoignent aussi bien Little Accidents, inspiré des communautés minières américaines, que Worth, adapté du mémoire de l'avocat Kenneth Feinberg. Son passage par les laboratoires d'écriture et de réalisation de Sundance façonne durablement sa méthode de travail, fondée sur un développement long et approfondi de ses scénarios avant le tournage. Sa collaboration avec l'actrice Maggie Gyllenhaal, productrice et interprète principale de The Kindergarten Teacher, constitue une rencontre déterminante dans son évolution vers des personnages féminins moralement ambigus.
Sara Colangelo privilégie des récits resserrés autour d'un personnage central confronté à un dilemme moral complexe, qu'elle refuse de juger de manière univoque, cherchant systématiquement à préserver l'empathie du spectateur envers des protagonistes aux actes pourtant discutables. Sa mise en scène, marquée par des tournages rapides et concentrés, comme les vingt-trois jours de The Kindergarten Teacher, privilégie une économie de moyens au service de l'intensité psychologique des situations. Elle construit ses films à partir d'un point de vue subjectif assumé, cherchant à faire percevoir le monde à travers le regard, même déformé, de son personnage principal. Son approche du drame biographique, illustrée par Worth, s'appuie sur une recherche documentaire approfondie et des rencontres directes avec les personnes réelles ou leurs proches, avant de transposer ces éléments dans une fiction maîtrisée.
Little Accidents, son premier long métrage, est nommé à l'Independent Spirit Award après sa présentation au Festival de Sundance 2014. The Kindergarten Teacher remporte le prix de la meilleure réalisation dans la compétition dramatique américaine du Festival de Sundance 2018, l'une des récompenses les plus prestigieuses du circuit indépendant américain. Worth, présenté à Sundance en 2020, confirme la reconnaissance critique dont bénéficie sa filmographie, saluée pour sa capacité à traiter des sujets moralement complexes avec une grande sensibilité.
L'actrice Maggie Gyllenhaal, également productrice du film, interprète le rôle principal de The Kindergarten Teacher, collaboration déterminante dans la carrière de la réalisatrice. Le directeur de la photographie Pepe Avila del Pino signe l'image de The Kindergarten Teacher puis de Worth, assurant une continuité visuelle entre ses deux films les plus reconnus. L'acteur Michael Keaton, également producteur, porte à l'écran le rôle principal de Worth. Le scénariste Max Borenstein cosigne l'écriture de ce même film, adapté du mémoire de l'avocat Kenneth Feinberg.
L'ambiguïté morale de personnages ordinaires poussés à des extrémités inattendues, qu'il s'agisse d'une institutrice obsédée par le talent d'un jeune élève ou d'un avocat chargé de chiffrer la valeur de vies humaines, structure l'ensemble de son œuvre. La tragédie collective et ses répercussions individuelles, qu'elle traite aussi bien à l'échelle d'une petite communauté minière dans Little Accidents qu'à celle d'un traumatisme national dans Worth, constitue un autre axe fort de son cinéma. La frustration créative et l'insatisfaction personnelle, thème central de The Kindergarten Teacher, revient enfin comme une préoccupation constante de ses personnages principaux, souvent empêchés dans leurs aspirations artistiques ou professionnelles.