Avec sa famille, d’origine juive, Sarah Moon quitte la France occupée pour l’Angleterre, où elle étudie le dessin. De 1960 à 1966, tout en travaillant comme mannequin – sous le nom de Marielle Hadengue –, elle s’improvise photographe de mode pour aider ses amies à constituer leur press-book. C’est à l’époque de sa rencontre avec son futur compagnon, l’éditeur de photographies Robert Delpire, qu’elle débute, en 1967, une collaboration éclatante avec Cacharel, qui durera pendant trente ans : ses campagnes de photographies et ses films publicitaires raffinés inspirés des années 1930 sont notamment primés à Cannes en 1979. Cependant, dès 1968, elle travaille également comme photographe indépendante pour de nombreux autres couturiers (Sonia Rykiel, Jean Patou, Coco Chanel, Issey Miyake) et des magazines européens et américains (Marie-Claire, Harper’s Bazaar, Vogue, Stern ou Elle). Immédiatement identifiable, son style se démarque par une atmosphère impressionniste et onirique, dans laquelle elle fond ses modèles et qu’elle crée surtout grâce à une matière particulière (grain, tons en demi-teinte, usage du flou) qui confère à ses images un aspect pictorialiste « début de siècle ». Il faut cependant attendre 1980 pour l’édition de son premier ouvrage véritablement personnel : Souvenirs improbables, qui donnera le ton. Parallèlement à ses photos de mode et de publicité, elle commence à saisir des natures mortes, des paysages, des enfants, des animaux, dans des compositions dont la teneur imaginaire est omniprésente. Ses expositions parcourent l’Europe, les États-Unis, ainsi que le Japon dès les années 1980. Par sa volonté permanente d’atteindre un « au-delà des apparences » (Vrais semblants, 1991), elle se démarque très tôt des clichés commerciaux. L’atmosphère étrange qu’elle confère aux marques prime sur la visibilité précise des produits.

Ses années de photographie à visée commerciale la mèneront à un travail plus abstrait inspiré de l’essence même de la mode : l’éphémère, la beauté qu’il faut saisir avant qu’elle disparaisse. Cette réflexion de l’instant dans le temps prend la forme de clichés dont la nostalgie première, qu’on aurait pu, de prime abord, tenir pour un romantisme un peu mièvre, se transforme en l’expression même de la disparition. Les clichés Polaroid sont salis au tirage, grattés, griffés, de sorte qu’avec leurs couleurs saturées, altérées, ou bien leur virage sépia, et les limites brouillées et noircies de leur cadre, ils renvoient les photos les plus contemporaines à l’antiquité d’une mémoire obscure. Ainsi, dans Coïncidences (2001), si les modèles et accessoires évoquent les années 1930, l’époque de sa mère et les héroïnes diaphanes de Virginia Woolf, les mises en scène étudiées montrent aussi des paysages déserts, des végétaux, des animaux des temps anciens monstrueux. Les oiseaux, mystérieux et récurrents, sont à l’image des femmes et des enfants qu’elle représente, figures hybrides entre ciel et terre, cage et liberté, élégance de la plume et inquiétude des serres. Son œuvre relève d’un merveilleux perverti par la mort : dans son univers s’aventurent vrai et faux, femmes et poupées, monstres et fantômes. Son intérêt pour la fiction, le monde de l’enfance et l’omniprésence des chimères se retrouve dans ses illustrations et adaptations de contes de Perrault ou d’Andersen. Le court-métrage Circuss (2003), mélange de vidéo et de Polaroid inspiré de La Petite Fille aux allumettes, inaugure une série de films : L’Effraie (2005), Le Fil rouge (2006) et La Sirène d’Auderville (2007), qui réactualisent les histoires dans un monde parfois effrayant, avec une esthétique à la fois nostalgique et vénéneuse grâce à un usage du noir et blanc fortement contrasté, toujours raffiné, où domine l’obscur.

Elle réalise aussi un long-métrage, Mississipi One (1991), road-movie au travers des paysages d’un nord déserté (campings, plages et stations balnéaires vides, usines désaffectées). Elle présente également deux films documentaires en 1994 : l’un sur son propre travail pour la série Contacts (1993) dirigée par William Klein – couronnée d’un Fipa d’or ; l’autre sur son ami Henri Cartier- Bresson, H. C. B. point d’interrogation ? Sarah Moon est d’abord primée dans les années 1970-1980 pour son travail publicitaire, mais l’autre versant de son travail de cinéaste et de photographe, exposé et publié dans le monde entier depuis les années 1980, est progressivement reconnu et récompensé internationalement à partir des années 1990. En 2008, une rétrospective et un album en cinq volumes, 12345, reprennent l’essentiel de l’œuvre qu’elle poursuit.