Como estudiante de primer año en la Universidad de Texas en 2003, Sanya Richards ganó el campeonato nacional de la NCAA en los 400 metros con un tiempo de 50.58. Después de su segundo año en 2004, se convirtió en profesional.

En los Juegos Olímpicos de Atenas en 2004, Richards fue parte del equipo de Estados Unidos que terminó primero en el relevo de 4×400 metros. Ha ganado una medalla de plata en los 400 metros en el Campeonato Mundial de Atletismo de 2005. En 2006, junto con Jeremy Wariner (400 m) y Asafa Powell (100 m), ganó su sexto de los seis eventos de la Liga de Oro de la IAAF en la misma temporada, lo que le valió un total de 250.000$. Rompió el récord estadounidense de Valerie Brisco-Hooks de 48,83 con un 48,70 al final de la temporada 2006 y fue nombrada Atleta Mundial Femenina del Año de la IAAF 2006. Su 48.70 la clasifica como la artista femenina #7 de todos los tiempos. Es la única vez que una mujer ha corrido bajo 49 segundos sin otro competidor que se ejecuta dentro de un segundo de ellos en la misma carrera.

Después de no poder clasificarse para los 400 m en el Campeonato Mundial de Atletismo de 2007 en Osaka debido a una enfermedad que la llevó a terminar cuarta en las pruebas de Estados Unidos, Richards-Ross fue la favorita para ganar el oro en los Juegos Olímpicos de 2008 en Beijing y se clasificó más rápida para la final, pero salió de los bloqueos demasiado rápido y fue superada en la recta final por Christine Ohuruogu de Gran Bretaña y Shericka Williams de Jamaica, llevándola a la medalla de bronce.

Durante la temporada 2009, Richards-Ross se llevó el título nacional de 400 metros en 50.05 segundos, terminando más de medio segundo más rápido que la segunda clasificada Debbie Dunn. Aunque esperaba tiempos más rápidos, afirmó que ganar el Campeonato Mundial de 2009 en Berlín era su objetivo número uno. Una victoria en 49.46 segundos en la Gala de Oro en Roma rompió el récord de Marita Koch de más carreras inferiores a 50 segundos, llevando el total de carrera de Richards a 36. Llegando al Campeonato Mundial, Richards ganó su cuarta carrera de la Liga de Oro en los 400 m con el tiempo de 49.34 segundos y ganó su primer campeonato mundial en los 400 m en el Campeonato Mundial de Atletismo de la IAAF de 2009 en Berlín con un tiempo de liderazgo mundial de 49.00 segundos. Richards-Ross también ancló al equipo de Estados Unidos a una medalla de oro en el relevo femenino de 4 × 400 m en el sexto mejor tiempo en la historia de 3.17.83 minutos, el tiempo dividido de Richards-Ross en el relevo fue extraoficialmente de 48.43 segundos. Después de un Campeonato Mundial que definió su carrera, Richards-Ross ganó sus dos últimas carreras de la Liga de Oro con un nuevo tiempo líder mundial de 48,94 segundos (Zurich) y 48.83 segundos (Bruselas) para compartir el bote de 1 millón de dólares con la ganadora masculina de 3000 m/5000 m Kenenisa Bekele y la ganadora femenina de salto con pértiga Yelena Isinbayeva, cada una recibiendo US 3 333.333; esta fue la tercera vez que Richards ganó el Bote de la Liga de Oro. Sanya Richards-Ross terminó su enorme temporada con un récord al ganar la plata en los 200 m en la Final Mundial de Atletismo de la IAAF, detrás de la campeona del mundo Allyson Felix con un tiempo de 22.29 segundos, y al ganar el oro en los 400 m con un tiempo de 49.95 segundos; logrando su 41a carrera de 400 m por debajo de los 50 segundos.

Después de una lesión que terminó prematuramente su temporada 2010, Richards-Ross se recuperó en 2011 para correr un 49.66 justo antes del Campeonato Mundial en Daegu, Corea del Sur. Terminó séptima, sin embargo, en la final. Richards-Ross más tarde regresó a la mejor forma en el relevo de 4 × 400 m, esta vez corriendo la etapa de inicio en 49.1, preparando al equipo para la victoria. Fue su quinta medalla de oro récord en el Campeonato Mundial.

En los Juegos Olímpicos de Londres 2012 el 5 de agosto de 2012, Richards-Ross terminó los 400 metros femeninos en 49.55 para ganar la medalla de oro para los Estados Unidos. Richards-Ross también corrió la pata de ancla del equipo de relevos de 4 × 400 m femenino de Estados Unidos, ganador de la medalla de oro. Después de los Juegos Olímpicos, Richards-Ross ganó los restantes encuentros de la Liga Diamante de más de 400 metros en Estocolmo (49,89) y Zurich (50,21). La victoria en Estocolmo mejoró su carrera total de carreras de menos de 50 segundos a un total indiscutible de 46.

Richards-Ross, recuperándose de una cirugía de pie, comenzó su temporada de atletismo en mayo de 2014 en Jamaica. Fue capaz de correr el mejor de una temporada de 49,66 y ganar carreras de la Liga Diamante en París y Bruselas. Richards-Ross sufrió una lesión que terminó su carrera en el tendón de la corva derecho en las pruebas olímpicas el 1 de julio de 2016. Poco después anunció que se retiraría en lugar de competir en los Juegos Olímpicos de Verano de 2016. Fue comentarista de los eventos de atletismo en los Juegos Olímpicos.