Née en 1977, Sophie Guillemin grandit à Paris. Son bac en poche, elle exerce plusieurs petits boulots dont celui de figurante dans un spectacle d'EuroDisney. C'est là que la jeune fille se fait remarquer par Cédric Kahn qui lui offre dans L' Ennui, un premier rôle exigeant de jeune étudiante engagée dans une relation passionnelle avec son professeur. Elle déclarera plus tard, à propos de ce film: "Je n'ai rien préparé. C'était le désir de Cédric. Il voulait que je sois neutre et atone. Et quand j'en faisais trop, il me répétait : "Pense que tu es une secrétaire". Sa prestation est saluée par la critique et l'Académie des Césars lui offre une médiatisation nouvelle avec une nomination dans la catégorie meilleure espoir féminin.

Deux ans plus tard, la jeune actrice est à l'affiche du succès surprise de 2000, Harry, un ami qui vous veut du bien aux côtés de Sergi López, et affirme sa position d'espoir du cinéma "indépendant" en étant une nouvelle fois nommée aux Césars. Cette même année lui permet d'élargir son registre puisqu'après le drame et le thriller, elle se lance dans la comédie avec On fait comme on a dit aux cotés d'un autre débutant, Gad Elmaleh. Ce registre semblant lui convenir, elle enchaîne alors les rôles d'adorable idiote dans des comédies comme Du côté des filles (2001) et devient la meilleure amie d'Audrey Tautou dans le film de Laetitia Colombani, A la folie, pas du tout en 2002. Après un second rôle dans L' Avion en 2005 avec Vincent Lindon, la comédienne fait également l'expérience du petit écran et participe à plusieurs téléfilms.

Actrice consacrée par le cinéma "indépendant" pour la sensibilité atypique qui la caractérise, sa carrière cinématographique est pourtant mise entre parenthèses quelques années, durant lesquelles les préceptes convoqués par sa nouvelle confession ne se voient pas coïncider avec les rôles qu'on lui propose et l'image qu'on lui a attribuée. C'est en 2009 que Sophie Guillemin revient sur le devant de la scène sous la direction de Sophie Fillières dans Un chat un chat ou aux côtés de Roschdy Zem dans une satire des errances du système judiciaire avec Commis d'office. Elle fait alors ses premiers pas en tant que réalisatrice avec son court métrage L' Essentiel féminin, avant de rejoindre le casting du dernier film de Jean Becker, La Tête en friche, aux côtés de Gérard Depardieu et de Gisèle Casadesus.