La diva italiana più conosciuta al mondo e nella storia del cinema, nata a Roma ma cresciuta a Pozzuoli, vicino a Napoli, prima di sfondare nel mondo del cinema ha intrapreso tutte le strade classiche di chi tenta la scalata al successo. Partecipa a concorsi di bellezza (Miss Italia, ma non vince), recita nei fotoromanzi e in piccole parti cinematografiche con lo pseudonimo di Sofia Lazzaro. Sul set di "Africa sotto i mari" (1952) viene notata da Carlo Ponti, suo futuro marito, che le propone un contratto di sette anni. Inizia così una carriera cinematografica che sulle prime la vede recitare in parti di popolana, ruolo che date le sue origini le si addice particolarmente, come ad esempio in "Carosello napoletano" (1953), "L'oro di Napoli" (1954) di Vittorio De Sica e "La bella mugnaia" (1955) di Mario Camerini. Poi si sposta a Hollywood e recita con mitici attori del calibro di Cary Grant, Marlon Brando, William Holden e Clark Gable. Bella, brava e vincitrice di numerosi premi tra cui la Coppa Volpi nel 1958 per "Orchidea nera" di Martin Ritt e l'Oscar e il premio per la migliore interpretazione a Cannes per "La ciociara" (1960) di Vittorio De Sica. Nel 1991 ha ricevuto in un colpo solo l'Oscar, il César alla carriera e la Legion d'Onore. Nell'80 si dedica alla tv, tralasciando il cinema.Nel 1998 ha ricevuto anche Il Leone d'Oro e il Globo d'oro alla Carriera, e nel '99 il David di Donatello sempre alla Carriera.
Ha interpretato, tra gli altri, il biografico "Sophia: la sua storia" di Mel Stuart e il remake di "La ciociara" (Dino Risi, 1989). Mastroianni, De Sica (padre) e Sophia erano una triade a dir poco incandescente.
Oggi si dedica a tempo pieno alla famiglia, non disdegnando apparizioni in tv, (per esempio con "Francesca e Nunziata",2001) o in manifestazioni internazionali.
E' stata scelta da Lina Wertmuller nella pellicola "Peperoni Ripieni e Pesci in Faccia"(2004) e nel musical "Nine" (2008) con Javier Bardem.