Le parcours de Sarah Nemtanu commence à Bordeaux, sa ville natale, où elle apprend le violon avec son père Vladimir, violon solo de l’Orchestre national Bordeaux-Aquitaine. À 16 ans, elle intègre la classe de Gérard Poulet au Conservatoire de Paris. Pendant ses études, elle se prend de passion pour la musique de chambre et l’orchestre. Élève de Pierre-Laurent Aimard, Jean Mouillère et Alain Meunier, elle obtient les premiers prix à l’unanimité de violon et de musique de chambre. Après ses succès lors de concours internationaux (1^er prix Maurice-Ravel à Saint-Jean-de-Luz en 1998, 3^e prix du concours Stradivarius en 2001), et sa révélation au grand public en décembre 2000, à la Cité de la musique, dans le Double Concerto de Brahms avec Gautier Capuçon aux côtés de l’Orchestre du Conservatoire de Paris dirigé par Emmanuel Krivine, elle est nommée premier violon solo de l’Orchestre national de France à 21 ans. Elle remporte une Victoire de la musique en 2007 (« révélation soliste instrumentale ») et double Mélanie Laurent au violon dans le film Le Concert de Radu Mihaileanu (2009). Si elle aime à explorer le répertoire des Balkans comme dans son disque Gypsic (2010), elle excelle aussi en soliste dans des concertos classiques, des créations (Bechara el-Khoury, Dimitri Tchesnokov), en formation de chambre avec les pianistes Romain Descharmes, Jean-Frédéric Neuburger, Éric Lesage, l’altiste Lise Berthaud, sa sœur Deborah, le trompettiste et corniste David Guerrier… 

Son amour de la musique étant indissociable de la transmission et du don, elle aime jouer en soutien à de belles causes ou aider à l’éducation musicale des plus jeunes et des étudiants, que ce soit à travers des master-classes, des académies ou des stages. Elle enseigne le violon au Conservatoire de Paris depuis 2022. 

Depuis le 1^er janvier 2026, Sarah Nemtanu est titulaire du poste de violon solo de l’Orchestre de Paris, après avoir été régulièrement invitée à jouer en soliste aux côtés de la formation dirigée par Klaus Mäkelä ou Esa-Pekka Salonen. Le poste était vacant depuis le départ à la retraite de Roland Daugareil en 2021 et la disparition prématurée de Philippe Aïche en 2022.