Sandra Klein studierte Pharmazie an der Goethe-Universität Frankfurt am Main und erhielt Ihre Approbation als Apothekerin im Jahr 2000. Sie promovierte im Jahr 2005 am Institut für Pharmazeutische Technologie der Goethe-Universität, und war nach einem PostDoc Aufenthalt bei der Eastman Chemical Company in Kingsport, TN, USA Akademische Rätin am gleichen Institut. Im Jahr 2009 erhielt sie einen Ruf an die Universität Greifswald, wo sie seit 2010 als Professorin für Pharmazeutische Technologie tätig ist. Ihre derzeitige Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von bioprädiktiven In-vitro-Modellen zur Abschätzung des In-vivo-Verhaltens von Arzneimitteln für verschiedene Patientengruppen sowie auf die Entwicklung von oralen Darreichungsformen für spezielle Populationen, insbesondere pädiatrische Patienten. Die letztgenannten Aktivitäten umfassen das Spektrum von Formulierungen für schwer lösliche Arzneimittel über geschmacksmaskierte Formulierungen bis hin zu Darreichungsformen mit kontrollierter Freisetzung. Zu den weiteren Forschungsinteressen gehört die Entwicklung von prädiktiven und beschleunigten In-vitro-Freisetzungsmethoden für Lutschtabletten, vaginale und rektale Verabreichungssysteme und lang wirkende injizierbare Arzneimittel.
Sandra Klein ist Mitglied der American Association of Pharmaceutical Scientists (AAPS), der European Paediatric Formulation Initiative (EuPFI), der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft (DPhG), sachverständiges Mitglied des USP Expert Panel on New Advancements in Product Performance Testing sowie der conect4children (c4c) Formulations Expert Group und Chefredakteurin der Pharmazie. Der APV trat sie im Jahr 2000 als Mitglied bei, ist seit 2014 Mitglied des APV-Vorstands und ist seit 2024 die Präsidentin der APV.