Sandra Winheller absolvierte ein Studium der Diplom-Pädagogik mit den Schwerpunkten Jugend-, Erwachsenen- und Weiterbildung, Medienpädagogik sowie Soziologie an der Universität Bielefeld. Als promovierte Erziehungswissenschaftlerin war sie unter anderem an der Georg-August-Universität Göttingen, der Universität Paderborn, der TU Braunschweig und der Universität Bielefeld in den Bereichen Lehrerbildung, Frauen- und Geschlechterforschung/Gender Studies sowie Hochschuldidaktik tätig. Ihre Forschungsaktivitäten führten sie zudem an die University of Michigan (USA) und an die University of Auckland (Neuseeland).
Neben ihrer Arbeit als Geschäftsführerin des Netzwerks 4.0 ist sie an der Universität Zürich für das ULF-Projekt „Gender und Diversity“ verantwortlich und lehrt am Institut für Bildungswissenschaften der Universität Wien.
Darüber hinaus ist sie als Lehrbeauftragte, Gendertrainerin und Referentin in den Bereichen pädagogische Professionalität, methodisch-didaktische Lehr-Lernberatung und Biographiearbeit tätig sowie als Personzentrierte Beraterin und Weiterbildungsleiterin (GwG/DGFB).