D'origine luxembourgeoise, Sophie Mousel intègre le cours Florent à Paris en parallèle d'études de lettres modernes.
La jeune femme fait ses débuts sur grand écran dans la comédie Le Correspondant. Sophie campe Sasha, la correspondante allemande de Jimmy Labeeu. Elle enchaîne ensuite les petits rôles dans Souvenir avec Isabelle Huppert, Rock'n'roll de Guillaume Canet, La Deuxième étoile de Lucien Jean-Baptiste et le drame Ma fille avec Roschdy Zem.
En 2019, la comédienne se fait connaître en interprétant le personnage du lieutenant Hélène Lamberti dans Nicky Larson et le parfum de Cupidon de Philippe Lacheau. Sa performance en inspectrice de police à la beauté glaciale marque les esprits.