Née d'un père italien et d'une mère russe, Sofia Black d'Elia grandit dans le New Jersey et commence la comédie dès l'âge de 5 ans, à l'occasion d'une pièce de théâtre jouée à Broadway. Diplômée du William Esper Studio, elle débute sa carrière d'actrice en décrochant un rôle dans le soap opéra La Force du Destin. En 2010, elle se fait remarquer en rejoignant le casting de la version américaine de la série Skins, diffusée sur MTV. Après l'annulation de cette dernière, on la retrouve dans la peau de Sage Spencer, à l'occasion de la dernière saison de Gossip Girl.
Côté cinéma, après avoir porté le (méconnu) film d'action Born of War et tenu un petit rôle dans The Immigrant de James Gray, Sofia se retrouve en 2015 au casting du long métrage de science-fiction en found-footage produit par Michael Bay : Projet Almanac.