Sara Llorca naît en 1983 à Besançon. Son père Denis Llorca est alors directeur du Nouveau Théâtre (actuel CDN). Entre 2006 et 2009, elle est élève au Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique de Paris, dans les classes de Dominique Valadié et de Yann-Joël Collin notamment. 

Depuis 2009, elle est actrice, notamment dans les spectacles de Wajdi Mouawad –figure marquante dans son parcours. Avec lui, elle joue à Athènes (Grèce), à Avignon (Carrière Boulbon), au Québec (TNM-Montréal) et au Liban. Elle joue aussi sous la direction de : 

• Jacques Lassalle : La Fille dans La Visite au père de Roland Schimmelpfennig (Festival NAVA) 
• Georges Werler et Michel Bouquet : Angélique dans Le Malade imaginaire de Molière (Tournée)
• Denis Llorca : Troyennes d'après Euripide (Théâtre des Sablons, Fontainebleau)
• Stéphanie Loïc : Svetlana Alexievitch dans La Guerre n'a pas un visage de femme et Les Cercueils de Zinc de Svetlana Alexievitch (Théâtre des Quartiers d'Ivry)
• Wajdi Mouawad : Ismène et Électre dans Des Femmes : Les Trachiniennes, Antigone, Électre de Sophocle (Théâtre Dyonisos, Athènes ; Carrière Boulbon, Festival d'Avignon ; Théâtre Nanterre Amandiers ; TNM, Montréal ; Festival au Carré, « Mons 2015/capitale européenne de la culture »)
• David Bobée : Juliette dans Roméo et Juliette de Shakespeare (Biennale de la Danse/Les Subsistances, Lyon; Théâtre national de Chaillot, Paris ; Tournée)
• Élisabeth Chailloux : Le Chœur dans Phèdre de Sénèque (Théâtre des Quartiers d'Ivry, CDN; Tournée) 
• David Lescot : Frésure dans Nos Occupations de David Lescot (La Filature, Mulhouse ; Théâtre de la Ville)

Parallèlement, elle crée et met en scène ses propres spectacles et fonde en 2012 la compagnie du Hasard objectif, fruit d'une collaboration avec l'architecte et scénographe Charles Vitez. La compagnie  poursuit une réflexion sur les notions de norme et de folie notamment. Sur le plateau, sont rassemblés des artistes de différent(e)s univers/cultures, à l’intérieur d’un cadre précis. Ils conçoivent ensemble des formes théâtrales pénétrées par la musique, la danse ou les arts plastiques. Les œuvres de Brecht (Tambours dans la nuit), Shakespeare (Les Deux nobles cousins), Rimbaud (Les Illuminations), David Lescot (Théâtre à la campagne), Sarah Kane (4.48 Psychose) – qui les conduit jusqu'au Congo-Brazzaville, Euripide (Les Bacchantes) – dont les 40 représentations leur font rencontrer un vrai succès national, leur permettent de mener leurs recherches et expérimentations.

La prochaine création de la compagnie verra le jour au cours de la saison 2019-2020 : La Terre se révolte, imaginée d'après le récit autobiographique du poète syrien Omar Youssef Souleimane, Le Petit terroriste (ed. Flammarion, janvier 2018).

Entre 2011 et 2015, elle chante pour le groupe Les Indolents, musique d’Adrien Tronquart, Benoît Lugué et Bertrand Noël sur des poèmes d’Arthur Rimbaud (« Summer of Loge #5 et #6 », Paris / Les Trois Baudets, Paris / L'Atelier à spectacle, Vernouillet). Elle poursuit ses expériences musicales notamment dans le projet CYCLES - compositions de Benoît Lugué. 

Elle assure la mise en scène de la création des Trans Musicales de Rennes - en décembre 2016 : Fishbach et également des groupes Téorem, SuperBravo et Maud Lübeck.

Depuis 2016, elle est engagée par le Théâtre national de La Colline pour diriger différents ateliers de pratiques artistiques (Lycée Victor Hugo, Collège Lucie Faure, “Premier Acte, acte 3”).

Elle est marraine de la promotion 2020 de l’Ecole supérieure d’art dramatique de Paris (ESAD) et met en scène les quatorze jeunes acteurs et actrices dans Don Juan, variations d'après Molière.