Fille illégitime de l'ingénieur Riccardo Scicolone, Sofia est emmenée par sa mère Romilda Villani, enseignante de piano, qui déménage de Rome à Pouzzoles (en Campanie).
Sofia Scicolone passe une enfance et une jeunesse difficiles dans cette ville portuaire d'environ 80 000 habitants à une quinzaine de km de Naples. Jeune, elle est attirée par le monde du spectacle. Fortement encouragée par sa mère, elle « monte » à Rome à l'âge de seize ans (1950) pour chercher fortune dans le cinéma. Elle réussit à se tailler une certaine réputation en apparaissant dans des romans-photos (genre populaire alors) sous le pseudonyme de Sofia Lazzaro et obtient des petits rôles dans des films, où elle est parfois apparue seins nus, comme Si Si, Era lui... ! en 1951 ou Deux nuits avec Cléopâtre en 1953, alors qu'elle n'avait que 16 ans pour le 1er film, et 18 pour le second. Ces apparitions n'ont pas été vues en Italie puisque la censure, toujours vigilante dans la péninsule, les avait supprimées. En revanche, la photo de Sophia Loren seins nus a été reprise quelques années plus tard dans Playboy quand l'actrice était devenue une star. Elle ne s'est jamais remontrée nue depuis, arguant du fait qu'elle ne se sentait pas à l'aise dans ces conditions et que « Sophia Loren nue, ça représente beaucoup de nudité ».
C'est sur le tournage, en 1952, du film Sous les mers d'Afrique de Giovanni Roccardi que naît Sophia Loren, ainsi « re-baptisée » par le producteur Goffredo Lombardo et qu'un autre producteur Carlo Ponti, qu'elle épousera plus tard bien qu'il soit de 22 ans son aîné, lui fait signer un contrat de sept ans. Elle va alors entamer sa longue et prestigieuse carrière, avec des rôles de femmes « populaires » dans Le Carrousel fantastique (Carosello napoletano) d'Ettore Giannini en 1953, puis L'Or de Naples (L'Oro di Napoli) de
Vittorio de Sica et Dommage que tu sois une canaille (Peccato che sia una canaglia) d'Alessandro Blasetti en 1954, ainsi que Par dessus les moulins (La Bella mugnaia) de Mario Camerini en 1955.
Rapidement, Sophia Loren va acquérir une renommée internationale grâce à sa provocante et explosive beauté qui, cependant, n'a jamais entamé l'aspect artistique et l'indubitable grâce qu'elle exprima en tant qu'actrice dramatique pendant toute sa carrière.
En 1955, elle fait la couverture de Life magazine alors que Carlo Ponti envisage pour elle une carrière internationale.
La période de 1957 à 1961 sera sa période Hollywood et elle jouera sous la houlette de Jean Negulesco, Stanley Kramer, Henry Hathaway, Delbert Mann, Carol Reed, George Cukor, Melville Shavelson, Sidney Lumet, Michael Curtiz. Mais c'est surtout Martin Ritt qui lui apportera sa première consécration avec le film L'Orchidée noire (The Black Orchid) où son rôle de Rose Bianco lui fera obtenir la Coupe Volpi de la meilleure actrice à la Mostra de Venise en 1958. Elle aura de plus, eu l'occasion de côtoyer les « monstres sacrés » du cinéma hollywoodien que sont Cary Grant, Frank Sinatra, John Wayne, Anthony Perkins, William Holden, Trevor Howard, Anthony Quinn, George Sanders, Peter Sellers, Clark Gable, John Gavin, Charlton Heston et Raf Vallone.
Entretemps, en 1960, paraît le film de
Vittorio de Sica, La Paysanne aux pieds nus (La Ciociara) où elle tient le rôle de Cesira aux côtés de Jean-Paul Belmondo. Ce sera une avalanche de récompenses pour Sophia Loren : Prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes, David di Donatello de la meilleure actrice, Ruban d'argent de la meilleure actrice principale, NYFCC Award de la meilleure actrice et Oscar de la meilleure actrice.
C'est sans doute le succès de La Ciociara qui la fait revenir devant les caméras italiennes et plus précisément celle de
Vittorio de Sica. On la verra successivement dans Boccace 70 (Boccaccio '70) et Les Séquestrés d'Altona (I Sequestrati di Altona)' en 1962, Hier, aujourd'hui et demain (Ieri, oggi, domani) en 1963 où elle fera fantasmer avec ses porte-jarretelles noires, Mariage à l'italienne (Matrimonio all'italiana) en 1964. Un peu plus tard, ce sera Les Fleurs du soleil (I Girasoli) en 1970 et Le Voyage (Il Viaggio) en 1974. En tout, ce seront huit films qu'il réalisera avec Sophia Loren en tant qu'actrice et lui-même, en sa qualité d'acteur, se retrouvera six fois à côte d'elle.
Un autre fidèle de Sophia Loren aura été Marcello Mastroianni. Leurs « parcours » se croiseront pas moins de douze fois.
En 1977, le film d'Ettore Scola, Une journée particulière (Una Giornata particolare) sera, en quelque sorte, le « chant du cygne » ou, à tout le moins, le dernier « haut fait » de la carrière d'actrice de Sophia Loren. Elle essayera de revenir en 1984 dans Aurora (Qualcosa di biondo) de Maurizio Ponzi avec son fils Edoardo Ponti qui la dirigera en 2002 dans Coeurs inconnus (Between strangers, Cuori estranei) qui sera projeté à la Mostra de Venise.
Cependant, les temps changent et les goûts également. Le public n'est plus aussi friand d'actrices de la beauté et de la grâce de Sophia Loren qui finit par passer de mode.
À partir de 1984, les récompenses qu'elle se verra offrir (à part le NBR Award de groupe pour Prêt-à-porter) seront des prix à l'honneur de sa carrière, Oscar d'honneur, David di Donatello spécial, et autres Golden Globe de remerciement... En 1991, elle sera décorée de la Légion d'honneur.
En juillet 2006, elle pose pour la 33e édition du calendrier Pirelli et devient ainsi, à 71 ans, le modèle le plus âgé ayant posé pour le célèbre calendrier du manufacturier italien.
Elle est aussi la tante d'Alessandra Mussolini, femme politique italienne : la mère de celle-ci, Anna Maria, soeur de Sophia, a épousé Romano Mussolini, un fils du dictateur Benito Mussolini.