১৯৯৭ সালে 'ইশক' ও 'চাচি ৪২০' ছবিতে শিশুশিল্পী হিসেবে আত্মপ্রকাশ করেন ফাতিমা সানা শেখ।

১৯৯৯ সালে 'বড়ে দিলওয়ালা' ছবিতেও শিশুশিল্পী হিসেবে কাজ করেন।

২০০১ সালে শাহরুখ খানের 'ওয়ান টু কা ফোর' ছবিতে ইনস্পেক্টরের মেয়ের চরিত্রে অভিনয় করেছিলেন সানা।

এরপর 'বিট্টু বস', 'তাহান' ও 'আকাশ বাণী' ছবিতেও বিভিন্ন চরিত্রে দেখা গেছে তাঁকে।

ফাতিমা সানা শেখ প্রথম খ্যাতি পান ২০১৬ সালের 'দঙ্গল' ছবির হাত ধরে। গীতা ফোগতের চরিত্রে দেখা যায়।

২০১৮ সালে 'ঠাগস অফ হিন্দোস্তান' ছবিতে দেখা যায় তাঁকে। যদিও বক্স অফিসে বিশেষ লাভ করতে পারেনি।

২০২০ সালে পরপর দুটি ছবিতে কাজ করেন তিনি। 'লুডো' ও 'সূরজ পে মঙ্গল ভারী' ছবিতে দেখা যায় তাঁকে।

২০২১ সালে 'অজীব দাস্তানস' অ্যান্থলজিতে অভিনয় করেন।

২০২২ সালে অ্যামাজন প্রাইমের 'মডার্ন লাভ: মুম্বই' সিরিজের প্রথম গল্পে দেখা যায় তাঁকে।

২০১৭ সালে 'দঙ্গল' ছবির জন্য তিনটি পুরস্কারে মনোনয়ন পান, দুটি জেতেন।