Mira entra nel mondo dello spettacolo sul plcoscenico della scuola, si rivela un studentessa di grande talento. Dopo essersi laureata ad Harvard con lode in Lingue Orientali, si trasferisce New York per intraprendere la carriera di attrice. Nel 1992 Robert Wise l'ha chiamata come assistente di produzione per il film "Tra amici" (Amongst friends) nel corso del quale passa successivamente ad essere assistente alla regia, casting, produttore associato e, infine, attrice. Da allora ha lavorato senza interruzioni arrivando nel 1995 a vincere un Oscar come attrice non protagonista per "La dea dell'amore" (Migty Aphrodite) di Woody Allen che l'ha promossa ttrice di grande talento. Grazie al suo fisico statuario nel 1996 è stata Marilyn nel film per la Televisione: "Norma Jean and Marilyn" , con cui ha ottenuto una nomination per l'Emmy Award. Nel 1997, è protagonista di "Mimic", diretto dal regista messicano Guillermo del Toro, seguito da "Romy e Michelle" (1997) di David Mirkin, "Lulu on the Bridge"(1998) di Paul Auster, "Too Tired To Die" (1998) di Wonsuk Chin e "Costretti ad uccidere" (1998), prodotto da John Woo e interpretato da Chow Yun-Fat.
Dopo "A prima vista" (1999), e "Summer of Sam" (1999) di Spike Lee, Mira Sorvino ha interpretato Leonida nel film di Clare Peploe "Il trionfo dell'amore" (2001), in concorso alla 58ª Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia.
Nel 2002 ha lavorato nel film "Scelte D'onore - Wise Girls" e "Semana Santa".
Ha fatto parte del cast di "The Final Cut" accanto a Robin Williams e James Caviezel e del film drammatico "Reservation Road" di Terry George.