Hija de la maestra de piano Romilda Villani y el ingeniero Riccardo Scicolone, creció en Pozzuoli (cerca de Nápoles) durante la Segunda Guerra Mundial. Loren comenzó su carrera en actuación a comienzos de la década de 1950, con pequeños papeles en películas italianas. En esos tiempos, actuó como extra junto con su madre en la película Quo Vadis, que fue filmada en Roma. Trabajó también como modelo en fotonovelas semanales (fotoromanzi), acreditada como Sofia Villani o Sofia Lazzaro. Fue modelo en varios concursos de belleza, donde ganó varios premios y conoció a su futuro marido, Carlo Ponti, productor de películas, con quien se casó el 17 de septiembre de 1957. Juntos tendrían dos hijos, Carlo Ponti Jr. y Edoardo Ponti. El matrimonio fue anulado temporalmente para evitar una demanda legal contra Ponti tras acusarle de bigamia, y se casaron nuevamente en 1966.

Su carrera comenzó a despegar cuando conoció, en 1954, a Vittorio De Sica y Marcello Mastroianni. Para la segunda mitad de la década de 1950, Loren era popular en Hollywood, protagonizando películas junto con Frank Sinatra y Cary Grant. Loren firmó un contrato por cinco películas con los estudios Paramount. Entre sus trabajos de esta época están Deseo bajo los olmos (Desire under the elms, con Anthony Perkins), Houseboat (con Cary Grant) y Heller in Pink Tights, bajo la dirección de George Cukor, en 1960.

Sophia Loren se ganó el respeto de la audiencia por su participación en dramas y comedias, especialmente en proyectos italianos, donde era más libre para expresarse. En 1960, su desempeño en Dos mujeres, de Vittorio de Sica, le proporcionó varios premios, entre ellos el de mejor actriz en los festivales de Cannes, Berlín y Venecia. Además, ganó el premio Oscar como mejor actriz, siendo la primer persona que lo ganaba con una actuación en un idioma diferente al inglés. No obstante su típica apariencia de una actriz hermosa, pero cabeza hueca, Loren era reconocida por su inteligencia y agudeza. Uno de sus dichos más frecuentemente recurridos, se refiere a su dieta: "todo lo que ven, se lo debo al spaghetti". En 1980, Sophia Loren tuvo el raro privilegio de actuar como ella misma y como su madre, en el filme biográfico para televisión. La película estaba basada en su libro autobiográfico titulado Sophia: su propia historia. Su nombre apareció en los encabezados de todo el mundo en 1982 por razones extraartísticas, pues recibió una sentencia de cárcel de 18 días, por evasión fiscal.

Ya en sus sesentas, Loren fue más selectiva en sus papeles, y además incursionó en otros tipos de negocios, publicando libros de cocina, publicitando anteojos, joyería y perfumes, siendo la primer actriz en lanzar una fragancia propia. Actuó en la película Prêt-à-Porter, de Robert Altman, y en la comedia Grumpier Old Men (Dos viejos más gruñones), junto con Walter Matthau y Jack Lemmon.

En 1991, Loren recibió un Oscar honorario por su contribución al mundo del cine, y fue declarada uno de los tesoros mundiales del cine. En Chile, esta actriz es homenajeada con el nombre de una Locomotora Italiana bautizada en su Honor (E32), la cual presta servicios en Ferrocarriles del Estado desde 1962.