Sophia Loren groeide samen met haar zus Maria als onwettig kind van een mislukte actrice op in Puzzuoli, in de buurt van Napels, in rampzalige en armoedige omstandigheden. Haar moeder stimuleerde haar om deel te nemen aan schoonheidswedstrijden en motiveerde haar om ook werk te zoeken als model. Dat eerste was in elk geval succesvol, Sophia Loren werd op 14-jarige leeftijd (!) verkozen tot Prinses van de zee waarna ze acteerlessen ging volgen. Haar moeder trok daarna met dochterlief naar Rome waar Sophia figurantenrollen kreeg in Quo Vadis (1949) en enkele andere films. Ze nam hierop deel aan de verkiezing van Miss Italië waar ze een troostprijs won. Haar succes zorgde er ook voor dat ze bij verschillende schoonheidswedstrijden en wat bescheiden modellenwerk ook prijzengeld won.

Na enige tijd, ze was toen pas 15, kwam ze onder de beschermende vleugels van Carlo Ponti terecht nadat die als jurylid van een schoonheidswedstrijd onmiddellijk onder de indruk was van haar. Hij liet haar kennis maken met de filmwereld waardoor ze onder het pseudoniem Sofia Lazzaro kleine rolletjes kreeg maar ook de hoofd- en titel rol in Aida (1953) waar primadonna Renata Tebaldi haar stem aan leende. Een jaar later volgde de grote doorbraak in L’oro di napoli van Vittorio De Sica en leek de actrice te zijn uitgegroeid tot een echte ster. Zijn aanpak – een weinig opdringerige en vrije manier van regisseren met heel veel geduld wanneer en waar nodig – zorgde er voor dat Sophia Loren haar talent op een rustige manier zonder enige druk kon laten groeien. Stilaan maar zeker leek ze de concurrentie te kunnen aangaan met iemand als Gina Lollobrigida. Ze zei ooit dat haar echtgenoot en vader van haar twee kinderen Carlo Ponti, haar beter kende dan dat ze zichzelf kende.

In 1957, het jaar waarin ze een contract voor vijf films tekende met Paramount, trouwde ze dan met Carlo Ponti nadat die was gescheiden van zijn Mexicaanse echtgenote waar hij na vele jaren was van vervreemd geraakt. De wet in Italië erkende echter zijn echtscheiding niet en Ponti werd beschuldigd van bigamie. Loren en Ponti werden in 1962 gedwongen hun huwelijk te ontbinden waarna ze na vier jaar vol frustratie hun Italiaanse paspoorten inleverden en de Franse nationaliteit aannamen om op die manier in 1966 op een legale manier (nog eens) te trouwen maar dan in Frankrijk. Hun zoon Carlo Ponti Jr. was kort te zien in Sunflower (1970) waarin ook Sophia Loren een rol had.

Ponti liet zijn kersverse echtgenote de Engelse taal leren omdat toen al duidelijk was dat Hollywood zou volgen, de filmstad waar de actrice in 1958 aankwam. Op die manier hielp hij haar aan de hoofdrol in The Pride and the Passion van Stanley Kramer met in de hoofdrollen ook Cary Grant en Frank Sinatra. Ook uit die tijd : haar rol in Boy on a Dolphin met een wel heel opmerkelijke scène waarin je een drijfnatte Sophia Loren ziet...
De actrice verscheen hierna in enkele minder belangrijke actiefilms, nog eens aan de zijde van Cary Grant in de komedie Houseboat maar ook in Heller in Pink Tights, een western geregisseerd door George Cukor. In de vermelde films had Loren echter nauwelijks de mogelijkheid om haar talent te tonen maar werd ze eerder uitgespeeld als de nieuwste seksbom uit het zuiden. Eigenlijk kwam het er op neer dat ze voor heel wat films verkeerd was gecast, ondanks het feit dat ze in 1959 voor haar acteerprestatie in The Black Orchid een prijs won op het Filmfestival van Venetië.

In 1961 was Vittorio De Sica weer aan zet wanneer Loren terugkeerde naar Italië. Hij bezorgde haar de hoofdrol in La ciociara (Two Women), een film die zich afspeelt in het door de oorlog geteisterde Italië en waarin Sophia Loren de rol speelt van een jonge moeder. Ze won er niet alleen een Academy Award/Oscar mee maar ook een acteerprijs op de Filmfestivals van Cannes, Venetië en Berlijn. Die Oscar was trouwens bijzonder in die zin dat nog nooit eerder iemand een Oscar had gewonnen voor een film die integraal in een andere taal werd opgenomen. In de film is Sophia Loren te zien als een vrouw die na de oorlog met haar dochter probeert te overleven in Italië maar verkracht wordt door twee soldaten.
Er volgden nog twee films van De Sica waarin ze de hoofdrol vertolkte naast Marcello Mastroianni : de komedies Ieri oggi  domani (Yesterday, Today and Tomorrow) en Matrimonio all’I-italiana (Marriage Italian Style).

Na enkele jaren in Italië verbleven te hebben keerde Loren terug naar Amerika. Loren kende het hoogtepunt van haar carrière in het eerste deel van de jaren ’60, hierna leek haar charmante verschijning en uitstraling belangrijker dan het acteerwerk waartoe ze in staat was wat de kwaliteit van haar films negatief beïnvloedde.
In de Verenigde Staten was de actrice ook te zien in een handvol tv-films en miniseries.  Aurora was er één van waarin haar zoon Edouardo Ponti zijn acteerdebuut maakte.

In 1975 werd haar biografie uitgebracht onder de titel Sophia, geschreven door Donald Zee. In 1979 werd dan nog een autobiografie uitgebracht met als titel Sophia: Living and Loving: Her Own Story. Loren had een rol in de verfilming ervan voor televisie waarin ze een dubbelrol vertolkte, zowel die van zichzelf als die van haar moeder.

In 1982 moest Sophia Loren één maand naar de gevangenis omdat ze veroordeeld was voor belastingsfraude.

In 1991 kreeg ze een ere-Oscar onder de noemer van een Lifetime achievement award. Ze werd omschreven als "one of the genuine treasures of world cinema."

In 1995 kreeg ze de Golden Globe Cecil B. DeMille Ward. In 1993 mocht ze een ere-Oscar geven aan Federico Fellini. In 1999 presenteerde ze de Oscar voor Beste buitenlandse film, die ging naar Life is Beautiful van Roberto Benigni.

In 2004 was ze niet alleen te zien in The Life and Death of Peter Sellers, ze zong samen met Peter Sellers het vrolijke liedje Goodness Gracious Me.