Sabrina Annlynn Carpenter est née le 11 mai 1999 en Pennsylvanie aux États-Unis. Son père s'appelle David et sa mère, Elizabeth. Elle a trois grandes sœurs : Sarah, Shannon et une demi-sœur prénommée Cayla.

Sabrina et sa sœur Sarah ont partagé une chaîne YouTube avec d'autres filles lorsqu'elles étaient plus jeunes. Elle s'est toujours intéressée au chant et à la musique. Elle crée sa propre chaîne YouTube en 2009 où elle poste des covers, alors qu'elle n'a que dix ans.

Elle termine troisième dans un concours de chant dirigé par Miley Cyrus, The Next Miley Cyrus Project.

À l'âge de 13 ans, elle déménage à Los Angeles avec sa famille pour avoir plus d'opportunités. Elle devient célèbre grâce à la série de Disney Channel intitulée Le Monde de Riley aux côtés de Rowan Blanchard.

Dans une interview avec Disney Insider, Sabrina Carpenter a cité Christina Aguilera et Adele comme influences musicales.

Elle a joué notamment le rôle de Maya Hart dans la série Le Monde de Riley et Melissa Chase dans La Loi de Milo Murphy de Disney Channel.

Elle a signé un contrat avec Hollywood Records (2014-2020) puis avec Island Records (depuis 2021).

Sabrina Carpenter a été associée à plusieurs personnalités publiques au cours de sa carrière. Elle a été en couple avec Bradley Steven Perry en 2014, avec qui elle a également travaillé professionnellement. Elle a aussi été liée à Corey Fogelmanis, son co-star dans "Girl Meets World", et à Griffin Gluck. Ses relations ont souvent attiré l'attention des médias et du public.

De 2020 à 2021, elle a été en couple avec l'acteur Joshua Bassett.

Depuis fin 2023, elle est en couple avec l’acteur Barry Keoghan qui apparaît notamment à ses côtés dans le clip “Please Please Please”.