Filla da mestra de piano Romilda Villani e o enxeñeiro Riccardo Scicolone, creceu en Pozzuoli (preto de Nápoles) durante a segunda guerra mundial.
Loren comezou a súa carreira en actuación a comezos da década de 1950, con pequenos papeis en películas italianas. Neses tempos, actuou como extra xunto coa súa nai na película Quo Vadis, que foi filmada en Roma. Traballou tamén como modelo en fotonovelas semanais (fotoromanzi), acreditada como Sofia Villani ou Sofia Lazzaro. Foi modelo en varios concursos de beleza, onde gañou varios premios e coñeceu ó seu futuro marido, Carlo Ponti, produtor de películas, con quen casou o 17 de setembro de 1957. Xuntos terían dous fillos, Carlo Ponti Jr. e Edoardo Ponti. O matrimonio foi anulado temporalmente para evitar unha demanda legal contra Ponti tras acusarlle de bigamia, e casaron novamente en 1966.
Sophia Loren gañou o respecto da audiencia pola súa participación en dramas e comedias, especialmente en proxectos italianos, onde era máis libre para expresarse. En 1960, o seu papel en Dúas mulleres, de Vittorio De Sica, proporcionoulle varios premios, entre eles o de mellor actriz nos festivais de Cannes, Berlín e Venecia. Ademais, gañou o premio Oscar como mellor actriz, sendo a primeiro persoa que o gañaba cunha actuación nun idioma diferente ó inglés. Porén a súa típica aparencia dunha actriz fermosa, pero cabeza oca, Loren era recoñecida pola súa intelixencia e agudeza. Un dos seus ditos máis frecuentemente recorridos, refírese á súa dieta: "todo o que ven, débollo ó spaghetti".
En 1980, Sophia Loren tivo o raro privilexio de actuar como ela mesma e como a súa nai, no filme biográfico para televisión. A película estaba baseada no seu libro autobiográfico titulado Sophia: a súa propia historia. O seu nome apareceu nos encabezados de todo o mundo en 1982 por razóns extraartísticas, pois recibiu unha sentenza de cárcere de 18 días, por evasión fiscal.
Xa nos seus sesentas, Loren foi máis selectiva nos seus papeis, e ademais incursionou noutros tipos de negocios, publicando libros de cociña, publicitando anteollos, xoiería e perfumes, sendo a primeira actriz en lanzar unha fragrancia propia. Actuou na película Prêt-à-Porter, de Robert Altman, e na comedia Grumpier Old Men, xunto con Walter Matthau e Jack Lemmon.
En 1991, Loren recibiu un Oscar honorario pola súa contribución ó mundo do cine, e foi declarada un dos tesouros mundiais do cine. En Chile, esta actriz é homenaxeada co nome dunha Locomotora Italiana bautizada na súa Honra (E32), a cal presta servizos en Ferrocarrís do Estado desde 1962.