Sabine Barthelmess wurde in Ulm geboren, wo sie ihre Ballettausbildung nach den Richtlinien der Royal Academy of Dance absolvierte. Erste Bühnenerfahrungen sammelte sie an der Jungen Bühne Ulm als Tänzerin und Musicaldarstellerin. 2015 begann sie ihre Ausbildung zur Musicaldarstellerin an der Stage School Hamburg, die sie 2017 mit Auszeichnung abschloss. Während der Ausbildung stand sie in zahlreichen Produktionen des First Stage Theaters auf der Bühne. Es folgten Engagements an den Hamburger Kammerspielen und dem Engelsaal, u. a. als Lilly in »Historicus« und Riquette in »Victoria und ihr Husar«. 2019 wirkte sie bei »Sherlock Holmes – Next Generation« mit, spielte Esmeralda in »Der Glöckner von Notre Dame« und war an den Arbeiten an Otto Waalkes’ Film »Catweazle« beteiligt. Von 2021 bis 2022 stand sie als Soul Girl Chiffon in »Der kleine Horrorladen« in Bremerhaven auf der Bühne. Seit 2023 gastiert sie an der Hamburger Kammeroper und gab 2024 mit »Die Csárdásfürstin« ihr Debüt als Choreografin.