Issue d'une union illégitime et abandonnée par son père, Sophia Loren - de son vrai nom Sofia Villani Scicolone - grandit dans un quartier pauvre dans la banlieue de Naples. Fascinée dès son plus jeune âge par le train de vie des stars hollywoodiennes, elle rêve secrètement de devenir actrice malgré sa nature timide et introvertie. Après avoir participé et gagné un concours de beauté l'année de ses quinze ans, sa mère l'inscrit à des cours de théâtre. Elle part alors à Rome tenter sa chance et se fait embaucher avec sa mère comme figurante sur le film de Mervyn LeRoy, Quo Vadis ? (1951).

Par la suite, elle pose pour des romans-photos et enchaîne plusieurs petits rôles dans des comédies populaires. C'est en remportant la seconde place pour le concours de Miss Rome qu'elle se fait remarquer par le producteur Carlo Ponti. À dix-huit ans, elle obtient son premier grand rôle pour le film La Traite des blanches de Luigi Comencini (1952) et signe un contrat d'un an avec Carlo Ponti. Elle devient alors la nouvelle muse de la jeune garde du cinéma italien ; mais c'est en interprétant le rôle d'une pizzaïola provocante et aguicheuse dans L'Or de Naples de Vittorio De Sica (1954) qu'elle devient une véritable star dans son pays. Elle brille aux côtés de Vittorio De Sica et Marcello Mastroianni dans plusieurs films tels que Dommage que tu sois une canaille d'Alessandro Blasetti (1954) et Par dessus les moulins de Mario Camerini (1955). Par la suite, Sophia Loren et Marcello Mastroianni forment un duo légendaire dans pas moins de quatorze films.

La Fille du fleuve de Mario Soldati (1955) la fait connaître mondialement et pendant le tournage du film La Chance d'etre femme d'Alessandro Blasetti (1955), elle prend des cours d'anglais en vue d'une carrière internationale. Deux ans plus tard, elle se marie avec Carlo Ponti – de vingt et un ans son aîné – et tourne sous la direction de plusieurs réalisateurs étrangers, notamment avec le producteur et réalisateur américain Stanley Kramer pour le film Orgueil et passion (1957) avec Cary Grant et Frank Sinatra, qui lui ouvre les portes d'Hollywood.

Elle enchaîne alors les longs-métrages avec les plus grandes stars hollywoodiennes, telles que William Holden et Trevor Howard (La Clef de Carol Reed, 1958), Peter Sellers (Les Dessous de la millionnaire d'Anthony Asquith, 1960), Clark Gable (C'est arrivé à Naples de Melville Shavelson, 1960), Anthony Quinn (The Black Orchid de Martin Ritt, 1958 et La Diablesse en collant roses de George Cukor, 1960) ou encore Gregory Peck (Arabesque de Stanley Donen, 1966).

Sa cote de popularité baissant en Europe, elle décide de revenir à ses racines et obtient le rôle principal du film de Vittorio De Sica, La Ciociara (1960). Sa prestation de femme du peuple lui vaut un Oscar. Elle continue donc sa collaboration avec ce réalisateur pour cinq autres films qui remportent un vif succès : Boccace 70 (1962), Les Séquestrés d'Altona (1962), Hier, aujourd'hui, demain (1963), Mariage a l'italienne (1964) et Les Fleurs du soleil (1970). Elle doit l'un de ses plus beaux rôles au film Une Journée particulière d'Ettore Scola (1977), où elle incarne une femme au foyer méprisée par sa famille. Elle y retrouve son complice de toujours, Marcello Mastroianni.

À partir des années 80, sa carrière cinématographique ralentit. Elle tourne alors beaucoup pour la télévision, notamment dans un téléfilm autobiographique où elle tient à la fois le rôle de sa mère et le sien à ses débuts. Elle est récompensée pour l'ensemble de sa carrière en recevant un Oscar d'honneur en 1991. En 1994, le duo mythique Marcello Mastroianni/Sophia Loren est de nouveau réuni sur le film de Robert Altman, Prêt-à-porter. Après quelques films mineurs, elle revient sur les écrans en 2001 dans Coeurs inconnus d'Edoardo Ponti, aux côtés de Gérard Depardieu et de Mira Sorvino. Elle apparaît pour la dernière fois à sur grand écran en 2009 dans Nine, film choral dans lequel elle interprète la mère de Daniel Day-Lewis, réalisateur à succès et volage. En 2010, elle joue le rôle de sa mère dans La mia casa è piena di specchi, une mini-série diffusée sur Rai Uno qui connaît des records d'audience, preuve de la popularité toujours intacte de l'actrice malgré son éloignement des plateaux. Sophia Loren publie ses mémoires en 2014, intitulées Hier, Aujourd'hui et Demain du nom du film de De Sica.