Sara Mortensen fait ses débuts d’actrice dans des courts-métrages : Midsummer Night’s Dream en 2001, Lobotomisé en 2002, et Les souris dansent en 2003.

L’année suivante, Sara Mortensen met en scène son propre court-métrage, Facteur chance, dans lequel elle joue. En parallèle, elle se lance également sur les planches en décrochant un rôle dans All world’s a stage en 2002 et The laramie project, toutes les deux mises en scènes par Lesley Chatterley, son ancienne prof de théâtre.

En 2008, Sara Mortensen joue aux côtés de Jean-Paul Belmondo dans le drame Un homme et son chien réalisé par Francis Huster. C’est surtout à la télévision qu’elle se fait connaître en apparaissant dans des séries comme Paris enquêtes criminelles et Engrenages en 2007.

L’actrice Sara Mortensen se révèle au grand public grâce au rôle de Coralie Blain dans la série Plus belle la vie en 2012. Son personnage de professeur de mathématiques très sévère au point d’être surnommée « Terminator » par ses élèves lui permet de lancer sa carrière. En 2016, elle partage l’affiche de la série Chefs aux côtés de Clovis Cornillac.

En juin 2019, l’actrice confirme sur son compte Instagram son départ de la série Plus belle la vie.

En tournage pour France 2 durant les six prochains mois, Sara Mortensen ne pouvait assurer le tournage d’une nouvelle intrigue scellant le sort de son personnage, dans l’intrigue qui la lie à son beau-fils Théo …

En 2017, elle joue Kristina dans la comédie de Lucien Jean-Baptiste, Il a déjà tes yeux, avec Aïssa Maïga et Vincent Elbaz. Elle incarne également une capitaine de police dans la saison 2 de Contact, une fiction de TF1. En 2018 et 2019, Sara Mortensen interprète à nouveau une femme flic, pour France 3, dans les téléfilms Les Mystères de la basilique (avec Isabel Otero) et Les Mystères du Bois Galant (où elle côtoie Olivier Sitruk).

En juin 2019, Sara Mortensen révèle à Télé-Loisirs avoir été renvoyée du feuilleton Plus belle la vie en raison de son emploi du temps jugé incompatible avec le planning de tournage du feuilleton de France 3. Si elle quitte définitivement le Mistral, l’actrice devient l’héroïne récurrente, sur France 2, de la série policière Astrid et Raphaëlle, aux côtés de Lola Dewaere.