Après une enfance heureuse dans la banlieue de Naples, Sophia Loren se distingue en remportant à l'âge de quinze ans le concours de beauté de son quartier. Elle arrive peu après à Rome, pose pour des romans-photos et joue de petits rôles dans une dizaine de films populaires entre 1950 et 1952. Elle est embauchée comme figurante (avec sa mère) dans le péplum Quo vadis (M. Le Roy, 1951).
Sa beauté, sa silhouette sculpturale et sa classe naturelle éclatent au grand jour en 1952 dans La traite des blanches de Luigi Comencini qui lui offre son premier rôle conséquent. Sous les mers d'Afrique (Giovanni Roccardi, 1952) commence à faire d'elle l'égérie de la jeune garde du cinéma italien. Parrainée par son producteur et futur époux Carlo Ponti, la jeune femme gravit rapidement les échelons de la notoriété et apparaît éblouissante dans les comédies populaires Une fille formidable (Mauro Bolognini, 1953) et Les gaietés de la correctionnelle (Steno, 1953). Deux nuits avec Cléopâtre (Mario Mattoli, 1954) met en avant son potentiel érotique. La même année Vittorio De Sica lui façonne un personnage à sa mesure dans L'or de Naples : elle interprète une pizzaiola aguicheuse et provoquante, un rôle qui en fait la rivale de Gina Lollobrigida, l'autre mythe sexuel du moment.
Ayant établie son image populaire de napolitaine pulpeuse et élégante, Sophia Loren enchaîne une série de films qui la rendent très célèbre au-delà des frontières de l'Italie. La fille du fleuve (Mario Soldati, 1954) la consacre star internationale ; elle tourne pour la première fois avec Marcello Mastroianni dans Dommage que tu sois une canaille (Alessandro Blasseti, 1954) et formera avec l'acteur un couple de cinéma mythique (ils se retrouveront sur douze tournages).
En 1957, elle se marie au Mexique avec Carlo Ponti et entame dans la foulée plusieurs tournages avec les réalisateurs hollywoodiens qu'elle séduit. Elle tourne pour les plus grands de l'époque : Delbert Mann, Henry Hathaway, Sidney Lumet, Michael Curtiz, Melville Shavelson. Sophia Loren côtoie Gary Grant et Franck Sinatra dans Orgueil et passion (Stanley Kramer, 1956) et donne la réplique à tous les monstres sacrés d'Hollywood comme John Wayne, Gregory Peck, Anthony Quinn, Clark Gable, ou Charlton Heston. Mais à l'exception de quelques films où elle est très bien dirigée, comme dans le grand mélo L'Orchidée noire (Martin Ritt, 1958) - ce qui vaudra à l'actrice la Coupe Volpi à la Mostra de Venise - et dans la comédie La diablesse en collant rose (Georges Cukor, 1959), Sophia Loren perd sa cote auprès des spectateurs européens qui lui reprochent la qualité médiocre des productions où elle se commet. La star entend l'avertissement et revient exercer son métier dans son pays natal.
Vittorio De Sicca lui restitue son image de femme du peuple en lui offrant le rôle principal de La Ciociara (1960) au côté de Jean-Paul Belmondo, rôle qui lui vaudra l'Oscar et le Prix d'interprétation féminine à Cannes. Satisfaite, elle poursuit avec le même cinéaste une série de cinq films à succès : Boccace 70 : la Loterie (1961), Les séquestrés d'Altona (1962), Hier, aujourd'hui et demain (1963), Mariage à l'italienne (1964), Les fleurs du soleil (1969). Le dernier mélodrame du réalisateur italien Le voyage (1973) et Une journée particulière (Ettore Scola, 1977) sont les deux derniers grands films tournés par Sophia Loren.
Tout au long de sa carrière il faut reconnaître que l'actrice a le talent d'avoir su oublier le charme prégnant de sa beauté pour ne donner que le meilleur de son talent de comédienne. Les films que tourne ensuite Sophia Loren sont font plus espacés, et elle n'y a plus que des rôles secondaires : un seul film dans les années 80, trois dans les années 90, et trois dans les années 2000. En 1996, Roger Hanin en fait l'héroïne de Soleil où elle campe Maman Titine, une juive algérienne, courageuse mère de cinq enfants. En 2008, Sophia Loren apparaît dans Nine (Rob Marshall).
Sophia Loren tourne beaucoup pour la télévision à partir du début des années 80 ; notamment dans un téléfilm autobiographique où elle joue le rôle de sa mère et d'elle-même à ses débuts.