שרה אהרונסון נולדה במושבה זכרון יעקב למשפחת איכרים בני העליה הראשונה. אחיה האגרונום, אהרון אהרונסון, הקים וניהל תחנת נסיונות חקלאית בזכרון יעקב והיה מגלה של "אם החיטה". בצעירותה נישאה שרה לחיים אברהם, יהודי אמיד ממוצא תורכי, ויחד עברו להתגורר בקושטא.

בשנת 1914, עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה, נפרדה שרה מבעלה, שנסע לגרמניה לרגל עסקיו והחליטה לצאת לארץ ישראל. בדרכה היתה עדה למעשי הזוועה שעשו התורכים בארמנים ושמעה גם על רדיפת המתיישבים היהודים על ידי התורכים בארץ - מה שהגביר את תחושתה כי יש להתנגד לשלטון התורכי בא"י בכל מחיר. בשנת 1916, בהגיעה לזכרון יעקב הצטרפה לאחיה אהרון, שהקים את ארגון המחתרת ניל"י, שמטרתו היתה לסייע לבריטים בריגול נגד התורכים. כשנסע אהרון לאירופה, ריכזה שרה בשיתוף עם אבשלום פיינברג את הפעילות המחתרתית של ניל"י, כמו גם את ניהול תחנת הנסיונות החקלאית.

ארגון ניל"י העביר ידיעות לבריטים באמצעות יוני דואר וכן בעזרת האניה הבריטית "מנגהם" שפקדה בקביעות את נמל עתלית. מנהיגי הארגון קיוו כי פעילותם תשמש רקע לתביעה עתידית מהבריטים לתת זכויות לאומיות ליהודים בארץ ישראל. דרך פעולתם ויחסם המתנשא כלפי הישוב בארץ הקימו להם מתנגדים רבים מקרב הישוב.

בספטמבר 1917, בזמן שאהרון אהרונסון ניהל את פעילותו ממצרים, נתפסה יונת דואר של ניל"י על ידי התורכים, מה שהביא לידיעתם את דבר קיומה של רשת הריגול היהודית. באותה תקופה יצאו אבשלום פיינברג ויוסף לישנסקי דרך המדבר כדי לפגוש את הבריטים במצרים. בשטח ההפקר שבין התורכים לבריטים במדבר, נתקלו השנים במארב של בדווים, פיינברג נהרג ולישנסקי ניצל והגיע למצרים. כשנודע דבר מותו של אבשלום פיינברג לקרובו, נעמן בלקינד, יצא זה למדבר כדי לבדוק מה קרה. בלקינד, שטען כי לישנסקי עצמו היה זה שרצח את קרובו כדי לקבל את הנהגת ניל"י, נפל בידי השלטונות התורכים ואלה הוציאו ממנו בערמה את שמות חברי המחתרת.

במוצאי א' בסוכות תרע"ח (1 באוקטובר 1917) נעצרו רוב חברי ניל"י על ידי התורכים בזכרון יעקב ושרה ביניהם. העצורים, ובכללם כמה מבני משפחתה של שרה, עברו עינויים קשים בידי העריץ התורכי - הד"ר חסן בק, במטרה לגלות את מקום המצאו של יוסף לישנסקי. אחרי ארבעה ימים של עינויים בהם לא הסגירה דבר לחוקריה, הגיעה אל שרה השמועה כי היא עומדת להשלח לבית הדין הצבאי בדמשק. היא ירתה בעצמה באקדח קטן אך לא מתה מהירייה.
לאחר שלושה ימים של יסורים ולמרות המאמצים שעשה ד"ר הלל יפה להציל את חייה, מתה שרה אהרונסון בבוקר של ה-9 באוקטובר 1917. היא הובאה לקבורות בזכרון יעקב.