Giovane attrice prodigio romana di notevole talento, Sara Ciocca nasce da genitori molisani e comincia a recitare già all'età di 10 anni, quando Alessia Gatti la sceglie per un ruolo nel suo cortometraggio Radici.
L'anno seguente, debutta sul grande schermo nella pellicola comica di Alessandro Siani Il giorno più bello del mondo (con il quale tornerà a lavorare nel 2012 in Chi ha incastrato Babbo Natale?). Lo stesso anno, sarà diretta da Ferzan Özpetek in La dea fortuna, dove vestirà i panni di Martina, una dei due bambini affidati temporaneamente alla coppia formata da Arturo e Alessandro (Stefano Accorsi ed Edoardo Leo), mentre la loro madre (Jasmine Trinca) è ricoverata in ospedale.
Nel 2020, ha un piccolo ruolo nella commedia d'avventura cappa e spada Tutti per 1 - 1 per tutti di Giovanni Veronesi, passando poi al più drammatico e grottesco America Latina (2021) di Damiano e Fabio D'Innocenzo. Molto più leggero e divertente il ruolo di Salmetta, una piccola vampira, nella commedia di Volfango De Biasi Una famiglia mostruosa (2021) e nel suo sequel Un matrimonio mostruoso (2023).
Parallelamente, lavora anche nel doppiaggio prestando la sua voce a giovanissime attrici americane e inglesi come Linda Zampiglione, Akiley Love, Tipper Seifert-Cleveland, Ryan Kiera, Nina Kitchen, Jojo Regina, Ellie Parker, Amie Donald, Jemelia George, Anna Mawn, Alisha Weir, Katelyn Rose Downey e Vaughan Reilly.
Lavora anche come doppiatrice per lungometraggi animati come in Frozen II - Il segreto di Arendelle doppiando Anna da bambina e Luca dove è la vispa Giulia Marcovaldo. Sarà poi la voce di Riley Andersen in Inside Out 2.
Dopo un piccolo ruolo in Io sono l'abisso (2022) del giallista Donato Carrisi, lavora in Improvvisamente Natale (2022) di Francesco Patierno.
Ormai adolescente, ricopre parti più mature come quella della ragazza goth Carmilla, protagonista femminile di Mimì - Il principe delle tenebre (2023) di Brando De Sica, arrivando a essere unica protagonista del film in Nina dei lupi (2023) diretta da Antonio Pisu, dove è per l'appunto Nina, una ragazza venuta al mondo dopo una misteriosa tempesta solare. Grazie a questa performance riceverà il premio Giovani rivelazioni all'80ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia.
L'anno seguente, il cineasta Marco Tullio Giordana la affiancherà a Beatrice Barison per interpretare Rebecca, la giovane protagonista del suo nuovo film, La vita accanto, ispirato all'omonimo romanzo di Mariapia Veladio, che vedrà nel cast anche Sonia Bergamasco, Paolo Pierobon, Valentina Bellè, Michela Cescon, Angela Fontana e Luigi Diberti. Avrà invece un più piccolo ruolo nel biopic ispirato alla triste vicenda di Andrea Spezzacatena, Il ragazzo dai pantaloni rosa (2024) di Margherita Ferri.
Presente nel piccolo schermo fin dal 2018 (era in Il miracolo di Niccolò Ammaniti, con il quale lavorerà anche in Anna nel 2021), appare in La vita promessa - Parte II, serie televisiva firmata da Ricky Tognazzi, in Romulus II - La guerra per Roma e in Blanca, dove è Lucia, una minorenne di cui la protagonista (interpretata da Maria Chiara Giannetta) si prende cura.