Joachim von Sandrart wird 1606 in Frankfurt am Main getauft. Sein Vater, der aus Valenciennes stammende Lorenz von Sandrart, zählt zur Finanzelite der Stadt.
Joachim von Sandrart tritt aber nicht in die Fußstapfen des Vaters und entscheidet sich für den Künstlerberuf. Schon in seinen Lehrjahren kommt er weit herum: 1619 erhält er Zeichenunterricht von Sebastian Stoßkopf in Hanau, ferner rechnen die Kupferstecher Matthäus Merian d.Ä. und Theodor de Bry zu seinen Lehrmeistern. Auch Daniel Soreau (Hanau), Peter Isselburg (Nürnberg, 1620) und Egidius Sadeler (Prag, 1622) sind an der frühen Ausbildung des jungen Joachim von Sandrart beteiligt. In der Ölmalerei unterweist Joachim von Sandrart von 1623 bis 1627 kein Geringerer als der Utrechter Gerrit van Honthorst.
Nach Abschluss der Utrechter Zeit ist Joachim von Sandrart in London nachgewiesen, anschließend (1628-1635) in Italien (Venedig, Bologna, Rom und Neapel), bis er 1635 in seine Geburtsstadt zurückkehrt. Zwischen 1638 und 1642 weilt Joachim von Sandrart erneut in der Fremde, nun in Amsterdam.
Danach wird er sesshafter: Seit 1637 mit Johanna von Milkau auf Stockau verheiratet, übernimmt Joachim von Sandrart nach dem Tod von deren Vater 1645 dessen Gut Stockau bei Ingolstadt. Hier lebt das Paar bis 1670 hauptsächlich.
1670 übersiedeln die Eheleute von Sandrart nach Augsburg. Zwei Jahre darauf stirbt Johanna und Joachim von Sandrart heiratet 1673 Esther Barbara Bloemart.
Mit der frisch angetrauten Gattin geht Joachim von Sandrart Ende 1673 nach Nürnberg. Die Stadt in Franken ist ihm wohlbekannt - hier hat er 1649/50 eines seiner Hauptwerke gemalt, das "Friedensmahl". Nun wird ihm die Leitung der Nürnberger Malerakademie anvertraut. Zusätzlich lässt er 1674 eine Zeichnungsakademie einrichten.
Danach arbeitet Joachim von Sandrart in Stein, wo er zwischen 1674 und 1686 das Bauwesen für die evangelisch-reformierte Gemeinde führt.
Als Maler wird Sandrart ab der Jahrhundertmitte mit zahlreichen Altargemälden betraut. Auch als Porträtist ist er ein gefragter Mann. Nicht minder bekannt ist Joachim von Sandrart als Schriftsteller, der mit der "Teutschen Academie der Edlen Bau-, Bild- und Mahlerey-Künste" (3 Bde., I: 1675, II: 1679, III: 1679/80) nichts weniger als das Gründungswerk der deutschsprachigen Kunstgeschichte verfasst.
1688 verstirbt Joachim von Sandrart in Nürnberg.