Sophia Loren se je kot Sofia Villani Scicolone rodila leta 1934 v Rimu. Kot nezakonska hči je otroštvo preživela v revščini z mamo in starimi starši v mestu Pozzuoli blizu Neaplja. Med drugo svetovno vojno je med letalskim bombnim napadom padla na tla in si poškodovala brado, tako da ima še danes brazgotino.

V šoli so jo imeli za preklo in se norčevali iz nje, pri 14 pa se je njena suhljata postava začela spreminjati. Kot najstnica se je udeležila lepotnega tekmovanja in dosegla drugo mesto. Pri 15 letih sta se z materjo preselili v Rim. Prvo vlogo je dobila leta 1951 kot statistka v filmu Quo Vadis. Poleg tega je delala kot model za različne italijanske založnike, ki so izdajali stripom podobne publikacije.

Po manjših vlogah v filmih, v katerih je odigrala samo nekaj stavkov, in manjšo vlogo v filmu La Favorita se je začela njena kariera vzpenjati. Poleg tega je po tej vlogi začela uporabljati umetniško ime Loren. Glavni vlogi v filmu Aida (1953) je sledila vloga v filmu Vittoria De Sica L'oro di Napoli (Zlato iz Neaplja) leta 1954.

Leta 1957 je prvič zaigrala v Hollywoodu v filmu The Pride and the Passion, ki so ga snemali v Parizu, in sicer z igralcema Caryjem Grantom in Frankom Sinatro. Tako Grant kot italijanski filmski producent Carlo Ponti sta se vanjo zaljubila, vendar je, čeprav je bila še kot šolarka zaljubljena v Granta, na koncu izbrala starejšega Pontija. Še istega leta sta se poročila, vendar njun zakon ni bil uradno priznan zaradi Pontijevega prvega zakona, saj ta uradno še ni bil ločen s prvo ženo. Skupaj sta bila do njegove smrti leta 2007.

Prvega oskarja je prejela za glavno vlogo v De Sicovem filmu Dve ženski iz leta 1960, ameriška filmska akademija pa jo je z zlatim kipcem za prispevek k svetovni kinematografiji nagradila še leta 1991.

V 60. letih minulega stoletja je igrala v ameriških, italijanskih in francoskih filmih, kar ji je prineslo status najboljše igralke njene generacije. Najbolj se je gledalcem vtisnila v spomin po vlogah v filmih Včeraj, danes, jutri (1963), ki je dobil oskarja za najboljši tuji film, Poroka v italijanskem slogu (1964), za katerega je dobila nominacijo za oskarja za najboljšo igralko, in Grofica iz Hongkonga (1967), v katerem je igral tudi Marlon Brando.

V 70. letih se je vrnila v Italijo in skoraj desetletje igrala v priljubljenih italijanskih filmih. Rodila sta se ji sinova Hubert (1968) in Eduardo (1969) in naslednje desetletje se je bolj posvečala vzgoji kot filmski karieri.

V 90. letih je izdala knjigo Women and Beauty ter nadaljevala igralski poklic. Med znanimi in uspešni filmi, ki so sledili izidu knjige, so Pret-a-porter (1994), Stare sablje 2 (1995) in Devet (2009).

Nekaj dni pred igralkinim 80. rojstnim dnevom je izšla njena avtobiografija z naslovom Včeraj, danes, jutri (Ieri, oggi, domani).