Der gebürtige Oberösterreicher und ehemalige St. Florianer Sängerknabe erhielt seine Gesangsausbildung an der Universität für Musik und darstellende Kunst Wien bei Helena Lazarska und Robert Holl. Seine vielseitige künstlerische Laufbahn führte ihn u.a. an die Volksoper Wien, das Theater an der Wien, ans New National Theatre Tokio, das Grand Theatre Luxembourg, an die Opernhäuser von Dijon, Limoges und Caen, an die Oper Chemnitz, an die Oper Leipzig, ans Musiktheater Linz, an die Neue Oper Wien und an das Badische Staatstheater Karlsruhe, wo er u.a. als Onegin, Papageno, Don Giovanni, Belcore, Silvio, Marcello, Graf Almaviva, Harlekin, Falke, Donner und Escamillo zu hören war. Zuletzt war Klemens Sander unter anderem als Papageno in Romeo Castelluccis international vielbeachteter Neuinterpretation von Mozarts Zauberflöte an der Opéra de Lille zu erleben.

Auch als Interpret zeitgenössischer Opernliteratur hat sich Klemens Sander einen Namen gemacht. An der Neuen Oper Wien war er u.a. als Sokrates in Kreneks Pallas Athene weint zu hören und feierte bei der Österreichischen Erstaufführung von Manfred Trojahns Orest einen großen Erfolg mit seiner eindringlichen Interpretation der Titelpartie. Beim Carinthischen Sommer sang er den Vater in der Uraufführung von Johannes Kalitzkes Oper Jeanne d‘Arc.

Bisherige Zusammenarbeit verband ihn unter anderem mit Dirigenten wie Kirill Petrenko, Kent Nagano, Christophe Rousset, H.K. Gruber, Jérémie Rhorer, René Jacobs, Helmuth Rilling, Bertrand de Billy, Andrés Orozco-Estrada, Stefan Vladar, Eivind Gullberg Jensen, Benjamin Haemhouts, Martin Haselböck, Thomas Dausgaard und Georges Prêtre.Klemens Sander widmet sich mit besonderer Hingabe dem Liedgesang und wurde als Gewinner des „Richard Tauber Prize“ (Wigmore Hall London), als Preisträger des Internationalen Schumann Wettbewerbs Zwickau und des Internationalen Gesangswettbewerbs S’Hertogenbosch vielfach für seinen Zugang zur Liedgestaltung ausgezeichnet. Einladungen als Konzertsolist und Liedinterpret führten Klemens Sander bisher u.a. in den Wiener Musikverein und ins Konzerthaus, zu den Salzburger Festspielen, zum Musik Festival Grafenegg, zum Kammermusikfest Lockenhaus, zum Schleswig-Holstein Musik Festival, zum Oxford Lieder Festival, ins Gewandhaus Leipzig, in die Berliner und in die Pariser Philharmonie, in die Laeisz Halle Hamburg, in die Philharmonie St. Petersburg, zum Beethovenfest Warschau, zum Carinthischen Sommer, zu den Wiener Festwochen, in die Suntory Hall Tokio und in die Londoner Wigmore Hall.

Von Klemens Sander sind diverse CDs erschienen (u.a. Mahler: Lieder eines fahrenden Gesellen, Beethoven: IX. Symphonie, Fauré: Requiem, Händel: Judas Maccabaeus, Verdi: Requiem, Bach: Ich habe genug). 2013 veröffentlichte er sein Debüt-Soloalbum mit Schuberts Schwanengesang (Klavier: Justus Zeyen). Die folgende CD mit Schuberts Die schöne Müllerin (2016) wurde mit dem Supersonic Award ausgezeichnet und für die International Classical Music Awards nominiert. Sein zuletzt erschienenes Album Das Lyrische Intermezzo (2017, gemeinsam mit dem Schauspieler Cornelius Obonya) wurde ebenfalls für die International Classical Music Awards nominiert und mit dem Bank Austria Kunstpreis ausgezeichnet.

Höhepunkte der jüngsten Vergangenheit beinhalteten u.a. eine Tournee mit der Camerata Salzburg nach Kolumbien, Bachs Matthäuspassion im Wiener Musikverein, Beethovens IX. Symphonie beim Carinthischen Sommer, De Doelen Rotterdam und beim Antwerp Spring Festival, die Uraufführung der Oper Toteis von Manuela Kerer in Wien und Bozen sowie diverse Liederabende, u.a. im Stefaniensaal Graz, im Nationaltheater Maribor und beim Oxford Lieder Festival.

Neben seiner aktiven künstlerischen Laufbahn ist Klemens Sander gefragter Gesangspädagoge und Dozent für Meisterkurse (u.a. New England Conservatory Boston, Universität Cartagena/ Kolumbien). Nach Verpflichtungen als Gesangsdozent an der Universität für Musik und darstellende Kunst Wien und als Vertretungsprofessor an der Musikhochschule in Dresden ist Klemens Sander seit 2022 Professor für Gesang an der Musikhochschule in Detmold.