Ved avdeling for biokjemi (senere avdeling for molekylær biologi) på Institutt for Kreftforskning ved Radiumhospitalet bygget hun egen forskergruppe som hun har ledet siden 1985. Der har hun fokusert på hvordan molekyler tas inn i celler (endocytose) og transporteres inne i cellene (intracellulær transport). I dette arbeidet har Sandvig studert diverse proteintoksiner, spesielt Shiga toksin og difteritoksin fra bakterier og plantetoksinet ricin. Studiene med Shiga toksin har fått mye internasjonal oppmerksomhet både på grunn av de basale funn som er gjort, og deres betydning for bakterieinfeksjoner med utskillelse av Shiga toksiner som er livstruende, spesielt for barn. Studiene i Sandvig-gruppen har ledet til diverse viktige funn. Hun har publisert mer enn 300 vitenskapelige artikler (2019), som er sitert mer enn 17 000 ganger. Sandvig er invitert foredragsholder til mer enn 100 internasjonale møter/kongresser og har mottatt en rekke priser for sitt arbeid. Hun har i tillegg til å fortsette grunnforskning med endocytose og intracellulær transport utnyttet den kompetansen til mer translasjonsrettet forskning relatert til studier av eksosomer og bruk av nanopartikler for levering av cytostatika til kreftsvulster. Sandvig ledet i 2014-2019 et nasjonalt kompetansebyggende prosjekt i nanomedisin. Dette prosjektet (Biodegradable nanoparticles for cancer diagnosis and therapy) inkluderte samarbeid mellom ti nasjonale og flere internasjonale forskningsgrupper og ble støttet av Forskningsrådet med 30,4 millioner kroner.