Nasce a Pesaro da Angelo Levi e Ricca Rosselli. Quando rimane orfana della madre, viene costretta a lasciare Pesaro, per giungere prima a Modena e poi a Livorno dai parenti Rosselli, su suggerimento del padre che voleva impedire una sua possibile conversione al cattolicesimo. Nel 1837 sposa Meyer Moses Nathan un gentiluomo di Francoforte, con il quale si trasferisce a Londra e dal quale ha dodici figli. In quel periodo esule nella capitale inglese è Giuseppe Mazzini, che Sara - detta amichevolmente Sarina - ha modo di conoscere, sebbene all’inizio solo superficialmente, instaurando un rapporto che con il passare del tempo diviene di stretta amicizia e di affetto sincero: «Io fui oltre ogni dire privilegiata: lo conobbi nel 1837 quando io pure ero approdata al lido ospitale dell'Inghilterra, e da quei di cominciai a vivere, e per quanto i miei doveri di donna e di madre lo comportavano, egli fu l'idea­le dell'anima mia, la guida delle tante vicissitudini della mia vita». Mazzini ripone presto in Sarina la massima fiducia: a lei confida le sue preoccupazioni, i suoi pensieri ed i suoi programmi politici investendola di un ruolo decisamente significativo nella sua attività cospirativa. Da parte sua la Nathan diviene profonda sostenitrice della dottrina mazziniana in quanto ne riconosce soprattutto i precetti altamente educativi e morali prima ancora dei suoi contenuti rivoluzionari. Nel 1857 Mazzini le presenta M. Quadrio, uno dei suoi più stretti collaboratori che lei sceglierà come istitutore per alcuni dei suoi figli, certa di assicurare loro una solida formazione. Quando muore il marito nel 1859, Sarina lascia l’Inghilterra e si stabilisce a Milano dove si impegna nell’organizzazione delle attività insurrezionali. Nel 1865 , continuamente sottoposta a sorveglianza dalla polizia, acquista a Lugano una villa, La Tanzina, che da quel momento si trasforma in un rifugio degli esuli italiani e in vero e proprio cenacolo dei maggiori nomi della politica nazionale di quegli anni: Nino Bixio, Gustavo Modena, Carlo Cattaneo, Federico Campanella.

Nella casa di Sarina, Mazzini trascorre anche lunghi periodi: nel 1872, malato, lascia Lugano per Pisa, dove fu ospitato da Giannetta, figlia di Sara, e da suo marito Pellegrino Rosselli. Qui morirà il 10 marzo, presente fra gli altri anche Sara, accorsa al suo capezzale.

L'impegno della Nathan nei confronti delle idee e del credo mazziniano prosegue anche dopo la sua morte, trasformandosi quasi in una missione. La carica eversiva di quegli insegnamenti lascia il posto infatti alla propaganda e alla trasmissione ai posteri del suo pensiero, attività che Sarina non smette mai di intraprendere. Ella si farà così promotrice della pubblicazione degli scritti di Mazzini, compito che viene prosegui­to anche da Ernesto, futuro sindaco di Roma, che eredita l’amministrazione del giornale Roma del Popolo. Sarina cura l'edizione nazionale delle opere e la donazione di oltre 4.500 autografi, confluiti poi nella Biblioteca del Risorgimento a Roma. Come ulteriore strumento di formazione fonda una scuola G. Mazzini a Roma, nel quartiere di Trastevere e, con parte del lascito del figlio Giuseppe, incrementa lo sviluppo di una unione benefica per la tutela materiale e morale delle ragazze in cerca di collocamento, che nel 1917 diviene, insieme alla scuola Mazzini, ente morale con il nome di Opera Pia Sarina Nathan.  Tra le battaglie intraprese durante la seconda metà degli anni ’70, merita di essere ricordata la lotta che conduce per l’abolizione dei regolamenti di Stato sulla prostituzione. Dopo la morte del figlio Giuseppe nel 1881, la Nathan, profondamente addolorata ed ammalata, si trasferisce nuovamente Londra, dove morirà nel 1882.