Issue d'une famille cultivée, elle est la fille de Joel Whiting, un éducateur engagé, ce qui favorise très tôt son intérêt pour les études. Elle poursuit sa formation au Vassar College, l'un des premiers établissements d'enseignement supérieur destinés aux femmes aux États-Unis, où elle se distingue par ses aptitudes en sciences. Elle y est fortement influencée par Maria Mitchell, célèbre pour avoir découvert une comète et qui fut également l'une des premières femmes astronomes professionnelles du pays. Sous sa direction, Sarah Frances Whiting développe un intérêt approfondi pour l'observation astronomique et les méthodes scientifiques rigoureuses.

Après l'obtention de son diplôme en 1869, elle reste liée à Vassar quelque temps en tant qu'assistante, poursuivant son apprentissage en astronomie et en physique. Elle acquiert une expérience pratique dans l'utilisation des instruments astronomiques, notamment les télescopes et les dispositifs d'observation du spectre lumineux, ce qui l'oriente progressivement vers la physique expérimentale.

En 1876, elle rejoint le Wellesley College, où elle devient l'une des premières professeures de physique et d'astronomie. Elle y fonde et développe le département de physique, mettant en place un programme d'enseignement novateur qui insiste sur l'expérimentation et l'observation directe, plutôt que sur la simple transmission théorique. Elle introduit des laboratoires pratiques pour les étudiantes, une approche encore rare à l'époque, contribuant ainsi à transformer l'enseignement scientifique. Annie Jump Cannon y sera étudiante et, plus tard enseignante.

Son intérêt pour les nouvelles technologies scientifiques la conduit à s'impliquer dans l'introduction de la spectroscopie dans l'enseignement. Inspirée par les travaux de chercheurs européens, elle met en place au Wellesley College l'un des premiers laboratoires de spectroscopie aux États-Unis. Cette discipline, essentielle pour l'analyse de la composition chimique des étoiles, devient un élément central de son enseignement. Elle permet ainsi à ses étudiantes de se familiariser avec des techniques de pointe en astrophysique.

En 1896, Sarah Frances Whiting fonde l'observatoire du Wellesley College, offrant aux étudiantes un accès direct à l'observation du ciel. Cet observatoire devient un centre important de formation scientifique pour les femmes, leur permettant de participer à des travaux d'observation et de recherche. Elle y organise des sessions régulières d'observation et encourage ses étudiantes à développer une démarche scientifique autonome.

Au cours de sa carrière, elle entretient des liens avec plusieurs figures majeures de la science de son époque, notamment Edward Charles Pickering, directeur de l'observatoire de Harvard. Elle s'intéresse également aux travaux de William Huggins et d'autres pionniers de la spectroscopie astronomique, dont elle s'efforce de diffuser les méthodes dans l'enseignement américain. Sarah Frances Whiting prendra sa retraite en 1912, après plus de trois décennies d'enseignement au Wellesley College. Elle est aujourd'hui reconnue comme une figure clé dans l'histoire de l'astronomie éducative et dans la promotion de l'accès des femmes aux sciences aux États-Unis.