21 Haziran 1993 tarihinde İzmir'in Eski Foça ilçesinde dünyaya gelen Sinem Ünsal, Azerbaycan Türkü bir baba ve Çerkes kökenli bir annenin ikinci çocuğudur. İlk ve orta öğrenimini İzmir'de, lise eğitimini ise Manisa'da tamamlayan Ünsal, 2016 yılında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Karşılaştırmalı Edebiyat bölümünden mezun olmuştur.
Oyunculuk kariyerine 2017 yılında "Çoban Yıldızı" dizisinde Güneş karakteriyle adım atan Ünsal, aynı yıl "Siyah Beyaz Aşk" dizisinde Gülsüm Aslan karakterini canlandırmıştır. 2018-2019 yıllarında "Kızım" dizisinde Sevgi Günay rolüyle izleyici karşısına çıkmıştır. Ancak asıl çıkışını, 2019-2021 yılları arasında yayınlanan "Mucize Doktor" dizisinde Nazlı Gülengül karakteriyle yapmıştır.
Tiyatro sahnesinde de aktif olan Ünsal, 2019 yılında "Raif ile Letafet", 2021'de "Çin'den Mektup" ve 2022'de "Aydınlıkevler" adlı oyunlarda rol almıştır.
2024 yılında Kanal D'de yayınlanan "Uzak Şehir" dizisinde Alya Albora karakterini canlandıran Ünsal, performansıyla izleyicilerin beğenisini kazanmıştır.
Özel hayatında da merak edilen isimlerden biri olan Sinem Ünsal, geçmişte oyuncu Kıvanç Kılınç ile dört yıllık bir ilişki yaşamış, ardından Halit Özgür Sarı ile kısa süreli bir birlikteliği olmuştur. Son olarak, oyuncu Berk Cankat ile bir ilişki yaşadığı bilinmektedir.
