Sanna Viktoria Nielsen nació en Bromölla, al sur de Suecia, el 27 de noviembre de 1984. Durante sus años escolares, estudió el programa de Estética y lo compaginó con estudios musicales en el Heleneholms gymnasium de Malmö.

La carrera de Sanna tuvo sus comienzos en numerosos concursos de búsqueda de nuevos talentos, siendo el primero en Olofström en 1992. En 1994 participó en uno de ellos en Kallinge y ganó con la canción Can you feel the love tonight?. Nielsen formó parte del conjunto de baile Mats Elmes durante 1995 y 1996 y, al mismo tiempo, se convirtió en la artista más joven en alcanzar el número uno en la lista Svensktoppen con la canción Till en fågel. Sanna consiguió en septiembre de 1996, lanzar su álbum debut titulado Silvertoner. Un año más tarde editó su segundo álbum, Min önskejul, junto al sencillo Time to say goodbye. En diciembre de 2001, Sanna participó en un tour navideño de la mano de Christer Sjögren, Sten Nilsson y la eurovisiva Charlotte Perrelli. En 2002 formó parte de otra gira, esta vez junto al también eurovisivo Roger Pontare y en diciembre de ese año participó en otro concierto navideño con Kalle Moraeus y Tito Beltran.

En febrero de 2006, su álbum Nära mej, nära dej fue lanzado con letras y música de Fredrik Kempe, con el cual había colaborado con anterioridad, y Marcos Úbeda. En julio y agosto de 2007 estuvo envuelta en una nueva gira musical llamada Sommar, sommar, sommar, acompañada por Shirley Clamp y Sonja Aldén. Junto a estas dos artistas suecas, lanzó un disco con versiones de canciones navideñas titulado Our Christmas. Ese mismo año consigue lanzar el álbum Sanna 11-22 y en abril de 2008 otro bajo el título Stronger. Este último fue editado en inglés en su totalidad y llegó a convertirse en disco de oro. En 2012 edita Vinternatten y su último álbum data de 2021, Min Sanna jul, nuevamente con canciones navideñas. 

La estrecha relación de Sanna con el Melodifestivalen viene de largo. Ha llegado a participar hasta en 7 ocasiones, alcanzando siempre la final del concurso. La primera de ellas fue en 2001, con I går, i dag, con la que quedó en un meritorio top 3; en 2003 se presentó con Hela världen för mig y quedó quinta; dos años más tarde hizo un dueto con Fredrik Kempe interpretando la canción Du och jag mot världen, con la que consiguieron la octava plaza; en 2007, con la canción Vågar du, vågar jag, consiguió un séptimo puesto; la de 2008 puede que sea su más famosa participación, con la canción Empty room, con la que se batió en duelo contra Charlotte Perrelli y por la que tuvo que conformarse con la segunda posición; y en 2011 interpretó la canción I’m in love y logró un cuarto lugar.

Finalmente, en 2014 consiguió la victoria del Melodifestivalen con la canción Undo, con la que representó a Suecia en la primera semifinal del festival europeo celebrado en Dinamarca. Logró el pase a la final y consiguió alzar a su país a un 3º puesto en la clasificación final con 218 puntos. Esta puntuación supuso para ella convertirse en la segunda representación sueca con más puntos, solo superada por la imparable Loreen. No obstante, la mayoría de las participaciones de Suecia de los próximos años superaron esa marca, debido en parte al cambio en el sistema de votación. Undo se convirtió en la primera canción de la artista en colarse en el Top 40 de las listas de ventas de Reino Unido.

Tras su paso por Eurovision, pudo lanzar a la venta su quinto álbum de estudio titulado 7, en conmemoración a las veces que se ha presentado a la preselección sueca. Este disco contiene su canción eurovisiva. Durante el verano y otoño de 2014 formó parte de una obra de teatro clásico y en septiembre fue anunciada como presentadora del Melodifestivalen 2015 junto a Robin Paulsson. En agosto de 2015 la SVT anunció que Nielsen se convertiría en la nueva presentadora del evento musical Allsång på Skansen que tuvo lugar en Estocolmo en el verano de 2016. Sanna también fue elegida para presentar Eurovision, The Party, que se celebró en el Tele2 Arena la noche de la final eurovisiva del 14 de mayo en Estocolmo. 

Sanna volvió a Eurovisión como comentarista para la cadena nacional sueca (SVT) en 2018. Su actividad musical no ha cesado en los últimos años, ya que ha publicado varios sencillos en sueco, como Tänker på dig (2021) y Men än ord (2022), y un par en inglés. Varios de sus temas más recientes también son de corte navideño, entre los que podemos destacar River (2022), su último trabajo hasta la fecha.

Sanna Nielsen se casó en 2006 en Las Vegas y vivió con su marido en Lidingö hasta 2008, año en que rompieron dicho compromiso. Actualmente vive en Årsta, al sur de Estocolmo con su pareja Joakim Ramsell. Sanna es de descendencia danesa puesto que su abuelo por parte de padre procedía de Århus.

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