S-a născut pe 20 septembrie 1934, la Roma. Mama ei era tânără şi foarte frumoasă, însă tatăl ei era căsătorit cu o altă femeie şi le-a părăsit, după ce s-a născut
şi sora mai mică a Sophiei, Maria. Copilăria i-a fost marcată de sărăcie şi tristeţe, mai ales pe parcursul celui de al doilea Război Mondial. Viaţa ei a cunoscută o cotitură la vârsta de 14 ani, când a câştigat un concurs de frumuseţe şi atenţia unui producător de film, Carlo Ponti.
Acesta, cu 22 de ani mai în vârstă decât ea, i-a fost ca un tată, mentor şi în cele din urmă soţ. El a îndemnat-o către actorie şi i-a schimbat numele în Lazzaro, care a devenit ulterior Loren. După ce a jucat în filme intaliene, a cucerit şi publicul american.
În 1960 câştiga primul Oscar cu „Two Women”, şi este celebră pentru filmele în care a jucat alături de Marcello Mastroianni, „Căsătorie în stil italian” sau „A special day”. Deşi a lucrat alături de bărbaţi mai mult decât charismatici, ca Marlon Brando, Paul Newman sau Gregory Peck, Sofia a fost femeia unui singur bărbat: soţul ei Carlo Ponti, despre care se spune că i-a adus câte un trandafir în fiecare zi petrecută împreună.
Au fost căsătoriţi timp de 50 de ani, până la moartea lui, şi au doi băieţi.