Pescara'da doğan Sara Serraiocco, küçük yaşlardan itibaren dans ve sinemaya karşı bir tutku geliştirdi ve daha sonra dans öğretmeni olarak da çalıştı. İtalyan Ulusal Film Okulu Centro Sperimentale di Cinematografia'ya katıldığı 2010 yılında Roma'ya taşınan Serraiocco, suç dizisi R.I.S. Roma'nın bir bölümünde rol aldıktan sonra 2013 yılında ilk sinema filmini çekti ve 2013 Cannes Film Festivali'nde The Critics' Week Grand Prix ödülüne layık görülen Salvo adlı filmde başrol oynadı. Palermo'nun banliyölerinde büyümüş kör bir kız rolündeki performansı ona en iyi kadın oyuncu dalında İtalyan Altın Küresi ve en iyi yeni yetenek dalında "Guglielmo Biraghi" Nastro d'Argento dahil olmak üzere birçok ödül kazandırdı. 2014 yılında yönetmen Liliana Cavani tarafından "Francesco" adlı mini dizide Assisili Aziz Clare rolünü oynaması için seçildi. 2015 yılında Sara, Lamberto Sanfelice'nin yönettiği Cloro filminde rol aldı. Film hem Robert Redford'un Sundance Film Festivali'nde hem de 65. Berlinale'de (Generation bölümü) gösterildi. Bu rolüyle 2015 Globo d'oro ödüllerinde en iyi kadın oyuncu ödülüne aday gösterildi. Aynı yıl Enrico Pau tarafından başrollerini Donatella Finocchiaro ve Barry Ward ile paylaştığı Accabadora filminde Tecla rolünü oynaması için seçildi. Kısa bir süre sonra 2015 Roma Film Festivali'nin Bağımsız bölümünde jürinin bir parçası olmaya davet edilen Serraiocco, Berlin Film Festivali sırasında en iyi Avrupalı yetenek olarak "Shooting Star" ödülüne layık görüldü. Bu arada Marco Danieli'nin ilk uzun metrajlı filmi La Ragazza del Mondo'da (diğer adıyla Dünyevi Kız) başrolü üstlendi ve bu film Venedik Film Festivali'nde GdA incelemesi kapsamında gösterildi. Bu filmdeki performansı ona çeşitli ödüller kazandırdı: "Premio Pasinetti" (Ulusal Film Eleştirmenleri Birliği' ödülü) En İyi Kadın Oyuncu ve hem Globo d'oro hem de Nastri d'argento'nun 2017 baskısında En İyi Kadın Oyuncu adaylığı. Bunun yanı sıra Michele Riondino ile birlikte yılın en iyi oyuncu ikilisi olarak altın Ciak ödülünü kazandı. 2017'de Giovanni Veronesi'nin yönettiği ve konusu Danieli'nin Radio 2'de sunduğu radyo programından esinlenen Non è un paese per giovani'de Nora rolüyle başrolde yer aldı. Film, Serraiocco'ya 2017 Nastri d'Argento'da En İyi Kadın Oyuncu adaylığı getirdi. Aynı yıl, 2017 Venedik Film Festivali'nin "Orizzonti"bölümünde gösterilen Cosimo Gomez'in ilk filmi Brutti e Cattivi'de ana karakteri canlandırdı. Serraiocco, Morten Tyldum'un yönettiği Counterpart dizisinde düzenli oyuncu olarak yer aldı ve burada Akademi Ödüllü J. K. Simmons ile birlikte Baldwin rolünü oynadı. Counterpart'taki performansı ona Autostraddle TV Ödülleri'nde En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu adaylığı kazandırdı. 2017'nin ilerleyen aylarında, 2018 Roma Film Festivali'nde gösterilen Alessandro Capitani'nin ilk filmi In viaggio con Adele'i çekmek için İtalya'ya döndü. Yine aynı yıl, Counterpart'ın ikinci sezonunu (Ocak 2019'da yayınlandı) çekmek için Los Angeles'a geri döndü. Ardından, yönetmen Renato De Maria tarafından "Lo spietato"(2019) filminde baş kadın rolünü oynaması için seçildi. 2019 yılında, Kiev film festivali Molodist 48'de uluslararası jüri üyesi olarak seçildi. Aynı yılın Eylül ayında Mauro Mancini'nin yönettiği Non Odiare filminde Marica rolünü üstlendi. Film 2020 Venedik Film Festivali'nde (Eleştirmenler Haftası) gösterildi. Son olarak, 2020 Roma Film Festivali'nde gösterilen Donato Rotunno'nun yönettiği Lo Sto Bene'de baş kadın rolünde yer aldı. 2021'de Paolo Genovese'nin yönettiği "Il primo giorno della mia vita" filminde Emilia rolünü üstlendi (post prodüksiyon). Aynı yıl Paolo Virzì'nin yönettiği "Siccità" filminde Giulia rolünü aldı (yapım). Daha sonra Gianni Amelio'nun yönettiği "Il signore delle formiche" filminde rol aldı. Aynı yıl Oscar ödüllü Grabriele Salvatores'in yönettiği "Il ritorno di Casanova" filminde kadın başrolü üstlendi. 2022 yılında 72. Berlin Uluslararası Film Festivali'nde jüri üyesi olarak seçildi (Shooting Stars ödülü).