سحر دولتشاهی در رشته‌های ادبیات نمایشی و مترجمی زبان فرانسه به تحصیل پرداخت. شروع فعالیت هنری وی با تئاتر بود. حضور در صحنهٔ تئاتر بود که منجر به آشنایی او با رامبد جوان شد. دولتشاهی در ۲۷ اسفند ۱۳۸۷ با رامبد جوان ازدواج کرد و در ۱۳۹۳ از وی جدا شد. بازی در فیلم طلا و مس به کارگردانی همایون اسعدیان در سال ۱۳۹۰ برایش نامزدی جایزهٔ بهترین بازیگر نقش دوم زن از چهاردهمین جشن خانهٔ سینما را در پی داشته‌است.
همچنین سحر دولتشاهی توانست برای بازی در فیلم عصر یخبندان در سی و سومین دورهٔ جشنوارهٔ فیلم فجر و برای بازی در فیلم‌های عرق سرد و چهارراه استانبول در سی و ششمین دورهٔ جشنوارهٔ فیلم فجر، سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش مکمل زن را به دست بیاورد. او تا کنون دو بار برندهٔ سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش مکمل زن شده‌است
