Mira Sorvino est née à Tenafly (New Jersey) en banlieue de New York. Elle est la fille de Lorraine Davis, une thérapeute spécialiste de la maladie d'Alzheimer, et de l'acteur Paul Sorvino. Elle a un frère, Michael, et une soeur, Amanda.
Son père ne voulait pas que ses enfants deviennent acteurs. Cependant, Mira a joué avec son ami d'enfance, Hope Davis, dans des productions théâtrales du Dwight-Englewood School ainsi qu'à l'université Harvard où elle a obtenu une mention honorifique en Études est-asiatiques. Sa thèse portait sur le sentiment anti-africain en Chine.
Après ses études, Mira passe trois années à New York où elle tente de se faire un nom comme actrice. Lorsque le film Amongst Friends entre en pré-production en 1993, elle est embauchée comme troisième assistante réalisatrice, puis comme directrice de casting avant de se voir offrir un rôle de premier plan. Ce rôle a commencé à lui ouvrir les portes du monde du cinéma.
Après avoir obtenu de petits rôles dans Quiz Show de Robert Redford et Barcelone de Whit Stillman, Woody Allen lui donne le rôle principal dans Maudite Aphrodite où elle joue une prostituée. Ce rôle lui vaut un Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle. Elle joue ensuite dans Romy et Michelle, 10 ans après (avec Lisa Kudrow) et At First Sight avec Val Kilmer. En 1996, elle fait Marilyn Monroe dans Norma Jean et Marilyn.
Au cours des dernières années, Mira Sorvino a joué dans des films à plus petit budget. En 2005, elle a reçu un Golden Globe pour son rôle dans le téléfilm Human Trafficking.
Elle parle couramment le mandarin.
Mesurant 1.78 m (5'10"), Mira Sorvino a eu une relation avec Quentin Tarantino et Olivier Martinez avant d'épouser Christopher Backus lors d'une cérémonie civile à Santa Barbara (Californie) le 11 juin 2004. Leur fille Mattea Angel est née le 3 novembre 2004, et leur fils John le 29 mai 2006. Leur fils Holden Paul Terry Backus est né le 22 juin 2009 à Los Angelès.
Membre de Amnesty International, elle est l'une des nombreuses vedettes de Hollywood à avoir demandé à l'Organisation des Nations-Unies d'intervenir au Darfour. Elle a passé une année d'études à Pékin pendant qu'elle fréquentait Harvard. Elle parle couramment le mandarin et s'exprime également en français. En 1996, elle a été choisie par le magazine People comme l'une des cinquante plus belles personnes du monde.
En souvenir de son rôle du docteur Susan Tyler dans le film
Mimic, un entomologiste a donné le nom de mirasorvone à un composé chimique sécrété par certains coléoptères servant de mécanisme de défense.