Dès la fin de ses études, à 23 ans, Sandrine Bélier travaille bénévolement dans diverses associations de promotion et protection de l'environnement. Entrée en emploi-jeune juriste à Alsace Nature (Association Fédérative Régionale pour la Protection de la Nature en Alsace) en 1998, elle devient directrice régionale de la fédération (2001 à 2007), puis directrice fédérale de France nature environnement (FNE).

Son parcours lui confère une expertise reconnue en matière environnementale, notamment sur les questions de protection de la nature et de démocratie participative, elle travaillera sur différents dossiers dont « Natura 2000 » (droit européen conciliant protection de la nature et activités humaines) et la « Convention d'Aarhus » (accès à l'information, participation du public et accès à la justice en matière d'environnement).

Lors du Grenelle de l'environnement en 2007, Sandrine Bélier participe aux débats en temps que négociatrice pour les associations LPO (Ligue de protection des Oiseaux), France Nature Environnement (FNE), et la Ligue ROC. Elle est nommée membre de la « Commission nationale du débat public » (CNDP)

Fin 2008, elle quitte ses fonctions associatives et universitaires pour « entrer en politique » au sein d'Europe Écologie.
Tête de liste Grand-Est pour les élections européennes, elle est élue euro-députée en juin 2009, à 35 ans.