Son père, Benoît est chauffeur routier et sa mère, Simone, travaille tour à tour dans un grand magasin parisien et dans une brasserie. Ses parents se séparent alors qu'elle n'a que neuf ans. Son frère Sylvain, de trois ans son aîné, est alors très proche d'elle.
Après un casting passé par hasard, elle obtient en 1980, à l'âge de 13 ans, le premier rôle du film culte de
Claude Pinoteau,
La Boum, qui semble traverser les frontières et les générations. Le personnage de Vic, adolescente romantique et rebelle, lui apporte une célébrité immédiate.
À l'âge de 16 ans, elle rachète son contrat d'exclusivité à Gaumont pour un million de francs qu'elle emprunte. Elle est désormais libre de choisir ses films.
C'est en 1984, qu'elle est choisie par le réalisateur polonais Andrzej ?u?awski, pour tenir le rôle de Mary dans le film L'Amour braque. De 26 ans son aîné, Andrzej ?u?awski sera son mari dix-sept ans durant (ils sont aujourd'hui divorcés). Ils ont eu un fils ensemble : Vincent, né le 24 juillet 1995.
Avec sa forte personnalité, son franc-parler choque, en particulier lorsqu'elle critique le cinéma français. Sa réputation d'avoir un caractère « difficile » la fait délaisser par les producteurs français. Surtout, son manque de mystère et son désir artistique absolu, l'ont empêchée de devenir une véritable « star ». Elle s'expatrie à Hollywood.
En 1999, elle participe au film
Le monde ne suffit pas où elle incarne Elecktra King, la fille de l'industriel Robert King. Elle aura alors une liaison avec le producteur Jim Lemley dont naitra une fille prénommée Juliette, née le 13 juin 2002. Ils se séparent en 2007, suite à son coup de foudre pour Christophe Lambert, rencontré sur le tournage du film la disparue de Deauville dont elle est la réalisatrice. Sur le plateau de Marc-Olivier Fogiel, le 22 mai 2007, Sophie Marceau reconnaît entretenir une relation avec l'acteur français. Elle affirmera néanmoins : « La presse a révélé notre liaison, mais nous deux, nous n'avons rien à vendre. Ce qui compte, c'est le film. ».
En 2009, elle incarne l'ex-femme d'Alexandre Astier dans le film
LOL (Laughing Out Loud).
Décrétée « actrice la plus aimée des Français » par plusieurs sondages dans les années 1990 ; ses nombreuses collaborations avec son mari de l'époque, Andrzej ?u?awski, avaient révélé une autre facette de sa personnalité et lui avaient permis de faire quelques incursions remarquées dans le cinéma d'auteur, notamment dans
Police (1985) de
Maurice Pialat qui avait exigé de
Gérard Depardieu qu'il lui inflige de vraies gifles dans une scène mémorable, ou encore Par-delà les nuages (1996) que
Michelangelo Antonioni, impotent à l'époque à la suite d'un accident vasculaire cérébral, avait réalisé avec l'aide de son ami
Wim Wenders.
Le travail de la comédienne avec
Mel Gibson sur l'épopée guerrière
Braveheart en 1996 lui ouvre en grand les portes d'Hollywood et marque le début d'une carrière internationale. Mais c'est sa prestation en James Bond girl dans
Le Monde ne suffit pas de
Michael Apted, où elle est la méchante principale du film, qui assure son statut de star internationale en 1999.
En 2002, elle passe à la réalisation avec Parlez-moi d'amour, fiction largement autobiographique auréolée du prix de la mise en scène du Festival de Montréal.
Parallèlement à sa carrière cinématographique Sophie Marceau publie en 1996 un roman, Menteuse, chante et peint. Elle est la marraine de l'association Arc-En-Ciel, dont la vocation est de réaliser les rêves d'enfants atteints de maladies graves. Elle s'occupe également de la protection des animaux. Fin 2009, Marceau sera à l'écran dans L'Homme de chevet, le premier long métrage d'Alain Monne aux côtés de son compagnon à la ville Christophe Lambert qu'elle a rencontré lors du tournage de son deuxième long métrage, La disparue de Deauville.