Hijo de Ramiro I y Ermesinda de Foix. Se casó en primeras nupcias, posiblemente en 1065, con Isabel de Urgel de la que nacería el futuro rey Pedro I.

Sucedió a su padre a la edad de 18 años. Tomó Barbastro a los musulmanes, en 1064, en unión con Armengol III, conde de Urgel, que murió en la reyerta, aunque al año siguiente, Al-Muqtadir, rey de la taifa de Zaragoza, reaccionó solicitando la ayuda de todo Al-Andalus, llamando a su vez a la yihad y volviendo a recuperar Barbastro en 1065. Hay que recordar que Barbastro era capital del distrito noreste del reino de Zaragoza, y llave de la rica vega del Cinca, además de sede de un importante mercado.

En 1068 Sancho Ramírez viaja a Roma para consolidar el joven Reino de Aragón ofreciéndose en vasallaje al Papa. Este vínculo está documentado incluso en la cuantía del tributo de 600 marcos de oro al año que debía pagar al Estado Pontificio el Reino de Aragón. Se ha aducido una posible relación de esta relación feudo-vasallática con las armas de linaje y el color de los hilos de las cintas de lemnisco de las que pendían los sellos papales con el emblema de palos oro y gules que constituirá, a partir de Alfonso II, el señal real del rey de Aragón.

El rey de Navarra, Sancho Garcés, primo de Sancho Ramírez, fue asesinado por su propio hermano Ramón, que en una partida de caza le precipitó de una elevada roca. Los navarros, no queriendo ser gobernados por el fratricida, eligieron por su rey a Sancho Ramírez, el cual incorporó la corona de Pamplona a la de Aragón.

En 1078 taló los campos de Zaragoza, construyó la fortaleza de Castellar, más tarde hizo tributario al rey musulmán de aquella ciudad. En 1083 se apoderó del castillo de Graus, de Piedratajada y de Ayerbe que mandó repoblar. La conquista del llano se iba asegurando con la construcción de castillos que servían de lanzadera y luego como protección de la tierra conquistada. Construyó Sancho Ramírez los castillos de Loarre, Obanos, Montearagón, Artasona, Castiliscar...etc.

En el año 1086, habiendo ganado Monzón, dio esta plaza con título de rey a su hijo Don Pedro, que ya lo era de Sobrarbe y Ribagorza.

Para establecer relaciones cordiales con Castilla, ayudó a Alfonso VI en la batalla de Sagrajas (1086) y en la defensa de Toledo (1090) y, finalmente, concertó un tratado de ayuda mutua con El Cid Campeador (1092).

Completó el cerco de Huesca fortificando Abiego, Labata y Santa Eulalia la Mayor (1092).

Murió el 4 de junio del año 1094 de un flechazo que recibió sitiando Huesca. Su cuerpo fue llevado al monasterio de Monte-Aragón, y trasladado después al de San Juan de La Peña.

Durante su reinado se introdujo el rito romano en diversos monasterios bajo su jurisdicción (1071).

Su segunda mujer fue Felicia de Roucy, de la que tuvo al infante D. Fernando de Navarra, Alfonso I y a Ramiro II.