En première année à l’Université du Texas en 2003, Sanya Richards a remporté le championnat national NCAA du 400 mètres avec un temps de 50.58. Après sa deuxième année en 2004, elle est devenue pro.

Aux Jeux Olympiques d’Athènes en 2004, Richards fait partie de l’équipe américaine qui termine première du relais 4×400 mètres. Elle a remporté une médaille d’argent au 400 mètres aux Championnats du Monde d’athlétisme 2005. En 2006, avec Jeremy Wariner (400 m) et Asafa Powell (100 m), elle remporte sa sixième des six épreuves de la Golden League de l’IAAF au cours de la même saison, ce qui lui rapporte un total de 250 000 $. Elle a battu le record des États-Unis de Valerie Brisco-Hooks en 48.83 avec un 48.70 à la fin de la saison 2006 et a été nommée Athlète Mondiale Féminine de l’année 2006 de l’IAAF. Ses 48,70 la classent comme la 7e artiste féminine de tous les temps. C’est la seule fois qu’une femme court sous les 49 secondes sans qu’un autre concurrent ne court à moins d’une seconde d’eux dans la même course.

Après avoir échoué à se qualifier pour le 400 m aux Championnats du Monde d’athlétisme 2007 à Osaka en raison d’une maladie qui l’a amenée à terminer quatrième des essais américains, Richards-Ross était la favorite pour remporter l’or aux Jeux Olympiques de Pékin en 2008 et s’est qualifiée la plus rapide pour la finale, mais est sortie des blocs trop rapidement et a été dépassée dans la ligne droite d’arrivée par la Britannique Christine Ohuruogu et la jamaïcaine Shericka Williams, ce qui l’a reléguée à la médaille de bronze.

Lors de la saison 2009, Richards-Ross remporte le titre national du 400 m en 50.05 secondes, terminant plus d’une demi-seconde plus vite que Debbie Dunn, deuxième. Bien qu’elle s’attendait à des temps plus rapides, elle a déclaré que gagner les Championnats du monde 2009 à Berlin était son objectif numéro un. Une victoire en 49 s 46 au Golden Gala de Rome a battu le record de Marita Koch pour le plus grand nombre de courses de moins de 50 secondes, portant le total de la carrière de Richards à 36. À l’approche des Championnats du monde, Richards a remporté sa quatrième course de la Golden League au 400 m avec le temps de 49.34 secondes et remporte son premier titre mondial sur 400 m aux Championnats du Monde d’athlétisme 2009 de l’IAAF à Berlin avec un temps de leader mondial de 49 s 00. Richards-Ross a également permis à l’équipe américaine de remporter la médaille d’or au relais 4 × 400 m féminin avec le sixième temps le plus rapide de l’histoire en 3.17.83 minutes, le temps partagé de Richards-Ross dans le relais était officieusement de 48.43 secondes. Après des Championnats du monde qui ont marqué sa carrière, Richards-Ross a remporté ses deux dernières courses de la Golden League avec un nouveau temps de leader mondial de 48 s 94 (Zurich) et 48.83 secondes (Bruxelles) pour partager le jackpot de 1 million de dollars avec Kenenisa Bekele, gagnante du 3000 m/ 5000 m masculin, et Yelena Isinbayeva, gagnante du saut à la perche féminin, recevant chacune 333 333 US US; c’était la troisième fois que Richards remportait le jackpot de la Golden League. Sanya Richards-Ross a terminé sa saison massive sur un sommet en remportant l’argent au 200 m lors de la Finale mondiale d’athlétisme de l’IAAF derrière la championne du monde Allyson Felix avec un temps de 22,29 secondes, et en remportant l’or au 400 m avec un temps de 49,95 secondes; réalisant sa 41e course de 400 m sous les 50 secondes.

Après une blessure qui a mis fin prématurément à sa saison 2010, Richards-Ross a rebondi en 2011 pour courir en 49.66 juste avant les Championnats du Monde à Daegu, en Corée du Sud. Elle termine cependant septième de la finale. Richards-Ross est ensuite revenu au sommet de sa forme dans le relais 4 × 400 m, courant cette fois la première étape en 49.1, préparant l’équipe à la victoire. Il s’agissait de sa cinquième médaille d’or record aux Championnats du monde.

Aux Jeux Olympiques de Londres en 2012, le 5 août 2012, Richards-Ross a terminé le 400 m féminin en 49.55 pour remporter la médaille d’or pour les États-Unis. Richards-Ross a également couru l’étape d’ancrage de l’équipe américaine médaillée d’or du relais 4 × 400 m féminin. Après les Jeux Olympiques, Richards-Ross a remporté les autres meetings de la Ligue de Diamant sur 400m à Stockholm (49.89) et Zurich (50.21). La victoire à Stockholm a amélioré son total de courses de moins de 50 secondes en carrière à un total incontesté de 46.

Richards-Ross, qui se remet d’une opération au pied, a commencé sa saison sur piste en mai 2014 en Jamaïque. Elle a réussi le meilleur chrono de la saison en 49.66 et a remporté des courses de la Ligue de Diamant à Paris et à Bruxelles. Richards-Ross a subi une blessure mettant fin à sa carrière aux ischio-jambiers droits lors des essais olympiques le 1er juillet 2016. Peu de temps après, elle a annoncé qu’elle prendrait sa retraite au lieu de participer aux Jeux olympiques d’été de 2016. Elle a été commentatrice des épreuves d’athlétisme aux Jeux olympiques.