Enligt prognoser, när 90 procent av rösterna räknats, har Sandu fått drygt 51 procent av rösterna, medan president Dodon fått närmare 49 procent, rapporterar Reuters.
I den första valomgången fick Sandu 36 procent av rösterna, medan Dodon fick 33 procent.
Utmanaren Sandu har arbetat på Världsbanken och var under en kort period förra året premiärminister innan hon avsattes i en misstroendeomröstning.
– Vi har möjlighet att straffa dem som rånade er, som tryckte ner er i armod och tvingade er att lämna era hem, sade hon i slutet av valrörelsen.
"Förlorar vårt land"
Tonläget från sittande presidenten Dodon var lika fränt under valrörelsen:
– Vi förlorar vårt land om vi visar svaghet, sade han och varnade för röstfusk.
Missnöje var tydligt hos många väljare som intervjuades i samband med valet.
– Korruptionen finns överallt, i sjukvården, inom det juridiska systemet, säger Vikoria, advokat, som röstat för Sandu, men som misstänker valfusk.
– EU har investerat mycket pengar här, vi är ett litet land, och med alla pengar borde vi vara miljonärer, men vi har inte sett några pengar, inga resultat, sade väljaren Sergej Jantouane som röstade "mot Dodon".
Moldavien har officiellt omkring 3,5 miljoner invånare, men ingen vet riktigt hur många som bor i landet, ett av regionens fattigaste, eftersom många gett sig av. Valdeltagandet från moldavier i främst Italien och Tyskland är högt.
Rysktalande oroshärd
Den nästan jämnt fördelade splittringen är som landets geografi, och gränserna är tämligen typiska för området där stormakter ritat, och ritat om länder.
Moldavien gränsar till Ukraina i öster och Rumänien i väster, språket är likt det rumänska men alliansen har tidigare varit med ryska Moskva. Landet ingick i Sovjetunionen innan den föll samman.
Dessutom finns utbrytarregionen Transnistrien utefter den östra gränsen – regionen drabbades av ett kort inbördeskrig 1992 – och som är en fortsatt oroshärd där främst rysktalande separatister ser sig som självständiga gentemot huvudstaden Chisinau.
– Oavsett om Sandu eller Dodon vinner så kommer det att bli protester, spår försäljaren Sandra i Chisinau.
