Sofia Costanza Brigida Villani Scicolone törvénytelen gyermekként Rómában született, és Nápoly szegénynegyedében nőtt fel. A gyufaszálnak csúfolt kislányból tizenöt éves korára hosszú lábú, dús keblű bakfis lett, aki egy szépségversenyen nyert vonatjeggyel utazott Rómába. A Cinecittában a Quo Vadis? című amerikai szuperprodukcióban előbb csak statisztált, majd a főszereplő Deborah Kerr rabszolganőjének „léptették elő”. Dolgozott modellként, szépségversenyeken indult, egy ilyen vetélkedésen figyelt fel rá a nála huszonnégy évvel idősebb Carlo Ponti producer, aki kijárt neki egy próbafelvételt.
Bár orrát túl nagynak, csípőjét túl erősnek találták, alig tizenkilenc évesen Sophia Loren művésznéven (vezetékneve Marta Toren svéd színésznő nevéből származik) az Aida filmváltozatában megkapta első főszerepét (helyette Renata Tebaldi énekelt). A szerepet először Gina Lollobrigidának ajánlották fel, de ő nemet mondott, mert nem akart egy operaénekesnő dublőze lenni, ezzel megkezdődött a két színésznő rivalizálása, melyet a sajtóban „kebelháborúként” emlegettek.
Loren az 1954-es Nápoly aranyában mítoszt teremtett: provokáló járása, szoborszerű teste, robbanékony vérmérséklete egy csapásra meghódította a közönséget. Az Alberto Moravia regényéből 1960-ban készült Egy asszony meg a lánya (La Ciociara) című, saját hányatott gyermekkorát is idéző filmben már színészi képességeit is megcsillanthatta. Alig huszonhét évesen játszotta el a háború embertelensége elől menekülő anyát, és 1961-ben – a filmtörténetben elsőként nem angol nyelvű alkotásban – elnyerte a legjobb színésznőnek járó Oscar-díjat. (A rendező Vittorio De Sica Anna Magnanit kérte fel anyának, Lorennek pedig a lány szerepét szánta. Magnani azonban nemet mondott, mert Loren egy fejjel magasabb volt nála, és azt tanácsolta a rendezőnek: ha már mindenáron játszatni akarja, adja fiatal kollégájának az anya szerepét.)
A siker nyomán megpróbálkozott Hollywood bevételével, de a sajtó érdeklődését inkább Cary Granttel folytatott futó viszonya keltette fel, holott olyan nagyságokkal játszott együtt, mint Charlton Heston (El Cid), Richard Burton (Késői találkozás, Az utazás), Marlon Brando (A hongkongi grófnő), Clark Gable (Nápolyban kezdődött), Paul Newman (Lady L.), Anthony Perkins (Vágy a szilfák alatt, Kés a sebben), Gregory Peck (Arabeszk) vagy Peter O'Toole (La Mancha lovagja). Érett korában az idős Jack Lemmonnal és Walter Matthauval forgatott több komédiát, és az olasz színésznők közül máig ő szerepelt a legtöbb amerikai filmben.
Hazájában Marcello Mastroiannival ők alkották az olasz film álompárját, több mint tízszer szerepeltek együtt. Ezek között volt a Tegnap, ma, holnap, a Házasság olasz módra (Loren 1964-ben ezért kapta második Oscar-jelölését), a Napraforgó, A pap felesége, az Egy különleges nap, a Véres föld. Utoljára 1994-ben, másfél évtized után játszottak együtt a Robert Altman rendezte, parádés szereposztású Divatdiktátorok című filmszatírában.
Loren jobbára élettel teli, temperamentumos és szókimondó olasz asszonyokat formált meg. Szerepálmai közül a Nem félünk a farkastól felesége és az Anna Karenina maradt ki, legnagyobb bánata, hogy nem dolgozott együtt Fellinivel. (2009-ben a Rob Marshall rendezte, a 8 és 1/2 nyomán született Kilenc című musicalben a legendás rendező édesanyját alakította.) A saját életéről szóló, Tükreim című kétrészes tévéfilmben édesanyját formálta meg. A kamera mögül többször instruálta fia, így A női lélek fájdalmai című lélektani drámában (2002), az Emberi hang című, Jean Cocteau darabjából készült kisjátékfilmben (2014), valamint az Émile Ajar regényéből készült Előttem az élet című produkcióban (2020).
Loren egész életében Carlo Ponti párja volt. A producer már házas volt, amikor egymásba szerettek, és mivel Olaszországban akkor még nem ismerték el a válást, házasságát Mexikóban érvénytelenítette, és ott keltek egybe 1957-ben. Ponti Itáliában bigámistának minősült, ezért sokáig külföldön éltek. Két fiuk közül az egyik rendező, a másik zenész lett, utóbbinak korábban magyar felesége volt Mészáros Andrea hegedűművész személyében.
Az olasz film egyik legnagyobb csillaga minden idők egyik legfiatalabb zsűrielnöke volt az 1966-os cannes-i filmfesztiválon, ahol 1961-ben a legjobb női alakításért járó díjjal ismerték el. Második Oscar-díját 1990-ben életművéért kapta. Birtokosa a francia Becsületrend lovagkeresztjének, az Olasz Köztársasági Érdemrend lovagi nagykeresztjének, a César-, a brit BAFTA- és a tiszteletbeli Arany Medve-díjnak. 2004-ben Grammy-díjat nyert a legjobb prózai gyermekalbum (Prokofjev: Péter és a farkas) kategóriában, 2010-ben a Praemium Imperiale japán művészeti díjban részesült. Öt különleges Golden Globe-díja mellett 1995-ben Cecil B. DeMille-díjjal ismerték el filmes életművét, és csillaga díszíti a hollywoodi Hírességek sétányát. 2021-ben megkapta az amerikai filmakadémia múzeumának Ikon-díját. 1992-ben az ENSZ Menekültügyi Főbiztossága jószolgálati nagykövetének nevezték ki, nevét utca viseli Torontóban és Jesolóban, 2021-ben megnyílt az első róla elnevezett étterem Firenzében, ahhoz azonban nem járult hozzá, hogy gyermekkorának városa, Pozzuoli szobrot állítson neki.
Fegyelmezett életmódjának köszönheti ma is csodás alakját. A Playboy magazin még közel a hetvenhez is megkereste, de az aktfotóajánlatot akkor is visszautasította, igent mondott viszont 2007-ben a Pirellinek, így ő a gumigyár híres naptárainak legidősebb szereplője. Három szakácskönyvet írt, s többszörös nagymamaként büszkén viseli ráncait. Neve áruvédjegy is, a Loren szemüvegek világszerte ismertek. Önéletrajza 2015-ben magyarul is megjelent Tegnap, ma, holnap címmel. A színésznőt tavaly genfi otthonában baleset érte, emiatt csípőműtéten esett át.
