Sara Levi nasce a Pesaro da una famiglia ebrea nel 1819. Perde la madre all’età di undici anni e viene allevata da diversi parenti, a Modena e poi a Livorno presso la famiglia Rosselli, parenti della madre. 
A diciassette anni, nel 1836, sposa Meyer Moses Nathan, un agente di cambio ebreo tedesco, amico dei Rosselli. Con lui nel 1837 si trasferisce a Londra, dove conosce Mazzini e rimane profondamente colpita dalla sua personalità e dalle sue idee. Nel giro di pochi anni Sara diventerà una stretta collaboratrice di Mazzini, e alle sue idee educherà i dodici figli. Lei e il marito aprono la casa di Londra agli esuli: tra i frequentatori dei Nathan ci sono, oltre a Mazzini, Jessie White e il marito Alberto Mario, Aurelio Saffi e altri patrioti. Oltre a un’ospitalità cordiale, i Nathan offrono anche aiuto concreto per riorganizzare la vita degli esuli e a volte anche sostegno economico in prima persona, e promuovono raccolte di fondi per finanziare spedizioni militari e pubblicazioni. Le comunità ebraiche in Italia e in Europa infatti sono molto attente al movimento liberale e alla lotta per l’indipendenza e l’unità dell’Italia. È infatti interesse di queste comunità la creazione di uno stato laico, in cui si attenuino il soffocante pregiudizio antiebraico degli ambienti clericali e le discriminazioni contro gli ebrei attive in molti stati della penisola: restrizione nei ghetti, giurisdizione separata, limitazione dei diritti economici e di proprietà.
Nel 1859 muore improvvisamente il marito e Sara, dopo alcuni mesi di dolore e lutto, torna in Italia con alcuni dei figli, a Firenze. Il marito l’ha lasciata erede di un cospicuo patrimonio, che lei comincia ad amministrare in prima persona, dimostrando competenza e notevoli capacità finanziarie. Riprende stretti rapporti con Mazzini e mette le sue competenze al servizio del movimento, raccogliendo finanziamenti e investendoli per garantirne un buon incremento, in vista dell’impiego per stampare le pubblicazioni, provvedere ai volontari impegnati nelle imprese e acquistare armi. Si trasferisce poi a Milano, sempre impegnata nel movimento mazziniano, e cerca di svolgere opera di mediazione tra Garibaldi e Mazzini, i quali avevano spesso contrasti politici e sulle strategie. Organizza una rete di donne impegnate nella raccolta di fondi e collabora con Laura Solera Mantegazza all’organizzazione dei ricoveri per i neonati delle operaie. L’impegno per le imprese di Garibaldi cresce, e sarà proprio Sara a visitare il generale in carcere dopo l’impresa dell’Aspromonte e a portargli una cassa di biancheria. Del resto l’assistenza ai garibaldini rimasti in prigione è un’altra delle sue attività patriottiche. Il sostegno ai patrioti e la raccolta di fondi per il movimento repubblicano la fanno divenire un personaggio sospetto anche nel Regno d’Italia appena costituito, e nel 1862 la sua casa viene perquisita. Sara si rifugia con i figli in Svizzera per sfuggire a un probabile arresto.
Dal 1865 abita a Lugano, in una grande villa in cui un alloggio separato e indipendente è tenuto a disposizione di Mazzini perché questi possa continuare a svolgere la propria attività politica. La collaborazione con Mazzini è sempre intensa e, negli anni di Lugano, anche l’amicizia diviene più stretta e intima, come emerge dalle lettere che lui le invia.
Nel marzo del 1872 Mazzini, sotto il falso nome di George Brown, è a Pisa, nella casa dei Rosselli: la sua salute è grave, si avvicina la fine e Sara accorre al suo capezzale per vegliarne gli ultimi momenti. Parlerà anche brevemente, sopraffatta dall’emozione, alla tumulazione della salma del Maestro a Genova.
Dopo la sua morte, Sara curerà la pubblicazione e la conservazione degli scritti di Giuseppe Mazzini, acquistandone i diritti dalla sorella Antonietta Mazzini. Divulgherà il pensiero del Maestro curando le riviste mazziniane «L’emancipazione» e «Il Dovere». Organizzerà anche una rete di sale mazziniane in tutta Italia per conferenze e dibattiti sul pensiero e l’opera del Maestro.
Accanto all’opera di curatrice e divulgatrice, continua l’impegno sociale, con iniziative a favore dell’infanzia povera e per l’istruzione delle donne. Si batte contro il regolamento sulla prostituzione, che persegue le prostitute come donne traviate e perciò private di vari diritti, proponendo una visione simile a quella delle femministe inglesi, che considerano le prostitute le prime vittime dell’oppressione maschile.
In queste battaglie della maturità le è accanto il figlio Joe, volontario garibaldino nel 1866 e cospiratore repubblicano anche negli anni successivi. Nel 1881, però, l’amato figlio muore improvvisamente a soli 32 anni e Sara, annientata dal dolore, come testimonierà l’amica Jessie White, sopravvive meno di un anno. Muore a Londra, ma viene seppellita in Italia, a Roma. Lascia l’archivio di Mazzini al figlio Ernesto, futuro sindaco mazziniano di Roma.