Após os estudos de violoncelo e musicologia, Sabine Devieilhe voltou-se para a voz, contando com Jocelyne Chamonin, Martine Surais e Elène Golgevit entre seus professores. Em 2011, o soprano graduou-se com o primeiro prêmio (e os parabéns oficiais e unânimes do júri) do Conservatório Nacional de Música e Dança de Paris. Ao longo de seus estudos, ela já estava colaborando com conjuntos incluindo Pygmalion e Les Cris de Paris (reg. Geoffroy Jourdain), apresentando desde música antiga até obras contemporâneas; com Jean-Claude Malgoire, Les Arts florissants, Marc Minkowski e os Musiciens du Louvre, e Hervé Niquet e Le Concert Spirituel, ela começou a explorar o repertório barroco de Bach a Rameau, enquanto atuava em L'Enfant et les Sortilèges de Ravel com a Orquestra National d'Île de France e a Orchester de Paris trouxeram-na para um público mais amplo no palco.
A temporada 2011-12 viu Devieilhe fazer sua estréia no bel canto como Amina em La Sonnambula sob Jean-Claude Malgoire, que também a escolheu para o papel de bravura de La Folie em Rameau's Platée. Ela foi então convidada para o Festival de Aix-en-Provence cantando Serpetta em La Finta Giardiniera de Mozart; sua estreia no papel de Rainha da Noite em A Flauta Mágica seguiu com a Ópera Nacional de Lyon e, na Ópera de Montpellier, a soprano coloratura assumiu o papel-título de Lakmé. Em 2013, Devieilhe recebeu o prêmio Lyric Artist Discovery of the Year na 20ª Victoires de la Musique; no mesmo ano, ela assinou um contrato de gravação exclusivo com Erato. Ela também estrelou como Constance em Dialogues des Carmélites de Poulenc (produção de Christophe Honoré para l'Opéra de Lyon). As estreias principais incluem a Opéra-Comique em Paris (Lakmé), a l'Opéra National de Paris (Rainha da Noite) e o Teatro Real La Monnaie em Bruxelas (Euridyce na Orfeia e Euridyce de Gluck).
Na temporada 2014-15, Devieilhe fez sua estreia no papel de Debussy, Pelléas et Mélisande, com Malgoire, e como Nanetta em Falstaff na Ópera de Marselha. Ela também encantou o público de Glyndebourne ao repetir L'Enfant et les Sortilèges. Recentemente, ela cantou na grande abertura de gala da Philharmonie de Paris, enquanto outros compromissos em concertos incluem aparições com a Philharmonia no Royal Festival em Londres e na Swedish Radio Symphony Orchestra em Estocolmo. Intérprete apaixonada de lieder e melodias francesas, Devieilhe se apresenta com a pianista Anne Le Bozec na Ópera Nacional de Lyon e no Festival Auvers-Sur-Oise, entre outros recitais.
Seu primeiro álbum solo Rameau: le Grand Théâtre de l'Amour com Les Ambassadeurs (novembro de 2013) lhe rendeu um Diapason d'Or e o Grand Prix de l'Académie Charles Cros, além de ser eleita um Álbum da Semana na BBC Radio 3.
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