Allan Sandage si é formato presso ll'Università dell'Illinois e il California Institute of Technology, dove ha ottenuto il dottorato sotto Walter Baade.

Dal 1952 ha fatto parte dello staff degli Osservatori di Mt. Wilson e Mt. Palomar,  dove iniziò, appena  laureato, come  assistente di Edwin P. Hubble.

Si é occupato soprattutto di cosmologia osservazionale: determinò età ed evoluzione di ammassi globulari al fine di ottenere l'età degli oggetti noti più vecchi. Ha lavorato alla calibrazione delle "candele standard"  al fine di determinare le distanze delle galassie remote e ha molte volte (spesso con Gustav Tammann) corretto la valutazione della sdtima della costante di Hubble.  Ha identificato la prima quasar, e ne ha scoperto molti altri, incluso il primo radio-quieto.