София Шиколоне родилась в Риме. Вскоре после её рождения семья переезжает в небольшой рыбацкий городок Поццуоли близ Неаполя, где проходит детство и юность Софии. В юности её звали «Стеккетто», что означает «Жёрдочка» — за высокий рост и худобу. Первой её ступенькой к славе стала в четырнадцать лет победа на местном конкурсе красоты, после чего семья Софии перебралась в Рим. В 1950 году участвует в конкурсе «Мисс Италия», где получает приз «Мисс Элегантность», учреждённый жюри специально для неё.

Во время участия в очередном конкурсе София познакомилась с продюсером и своим будущим мужем Карло Понти, который был старше её на двадцать два года. Понти был в то время женат, а для католика получить развод было делом весьма непростым. Отчаявшись дождаться, когда Ватикан утвердит развод, Карло и София тайно поженились в Мексике. По прошествии времени долгожданный развод был получен, и 9 апреля 1966 года Карло вторично женился на Софии.

Первоначально Понти позиционировал свою избранницу в качестве секс-бомбы в таких малоизвестных картинах, как «Торговля белыми рабынями» (1953). Зачастую действие этих фильмов происходило в экзотической обстановке, давая Лорен возможность щеголять перед зрителями в замысловатых нарядах. С другой стороны, будущая суперзвезда не стеснялась наготы, так что в ряде картин её можно было увидеть топлес. В начале 1960-х годов Карло Понти выкупил все фильмы юной Лорен, где она была обнажённой, во избежание международного скандала.

К середине 1950-х годов София стала звездой и секс-символом Италии. Первоначально актриса снималась под псевдонимом София Ладзаро (итал. Lazzaro), но в 1953 году по настоянию Понти сменила его на Лорен. Первым фильмом Лорен, вышедшим в прокат за пределами Италии, был «Аттила — бич божий» (1955) с Энтони Куинном.

Внимание серьёзных кинокритиков Лорен впервые привлекла в фильме Витторио де Сика «Золото Неаполя» (1954), в котором она попала в родную стихию, сыграв энергичную неаполитанскую лавочницу. Роли обычных женщин из народа, которых она хорошо знала в детстве и одной из которых могла бы стать, удавались ей лучше всего и вызывали наиболее благосклонные отзывы критиков.

Именно де Сика в полной мере открыл актёрское дарование Софии Лорен. Практически все наиболее значительные роли были сыграны ею в фильмах этого режиссёра — «Чочара» с Жаном-Полем Бельмондо (1961, приз Каннского фестиваля и «Оскар» за Лучшую женскую роль), «Вчера, сегодня, завтра» (1963), «Брак по-итальянски» (1964, приз Московского фестиваля), «Подсолнухи» (1970). В трёх последних картинах партнёром Софии Лорен был Марчелло Мастроянни, с которым они составили один из самых знаменитых дуэтов в истории кино.

Вершиной актёрского мастерства Софии Лорен было исполнение роли матери в «Чочаре» — неореалистическом фильме, снятом по роману Альберто Моравиа. В одной из кульминационных сцен героиня Лорен становится жертвой грубого насилия. Актёрская выразительность и органичность Лорен произвели такое впечатление на заокеанских кинокритиков, что за эту роль ей была присуждена премия «Оскар». Это первый случай, когда премия в данной номинации вручена за фильм, снятый не на английском языке.

С 1957 года Лорен регулярно поступали предложения сниматься в Голливуде. Она активно, хотя и не очень успешно работала на американской фабрике грёз, по контрактам с такими компаниями как «MGM» и «Paramount Pictures». Одним из её первых голливудских фильмов был «Гордость и страсть» с Фрэнком Синатрой и Кэри Грантом (1957). О влюблённости Гранта в итальянскую актрису было много написано, но доподлинно известно мало. Также много домыслов возникало относительно предложений руки и сердца со стороны английского актёра Питера Селлерса. По мнению некоторых биографов, всё это были лишь рекламные трюки.

Для съёмок в вестерне «Чертовка в розовом трико» (1960) актриса впервые перекрасилась в блондинку. За провальную сагу «Падение Римской империи» она одной из первых в мире получила неслыханный дотоле гонорар в миллион долларов. В 1967 году ей довелось сыграть русскую проститутку в последнем фильме великого Чаплина «Графиня из Гонконга».

В течение пятнадцати лет (1957—1972) Лорен удалось поработать практически со всеми самыми популярными актёрами и секс-символами Голливуда: Энтони Перкинсом («Любовь под вязами», 1958), Энтони Куинном («Чёрная орхидея» (англ.)русск., 1958), Кларком Гейблом («Это началось в Неаполе», 1960), Питером Селлерсом («Миллионеры», 1961), Чарлтоном Хестоном («Эль Сид», 1961), Алеком Гиннессом («Падение Римской империи», 1964), Полом Ньюманом («Леди Л.», 1965), Грегори Пеком («Арабеска», 1966), Марлоном Брандо («Графиня из Гонконга», 1967), Питером О’Тулом («Человек из Ламанчи», 1972), Ричардом Бёртоном («Поездка», 1974) и Жаном Габеном («Приговор», 1974).

В 1994 году она в последний раз снялась с Мастроянни в фильме Роберта Олтмена «Высокая мода», а в 1996 году сыграла с Джеком Леммоном и Уолтером Маттау в американской комедии «Старые ворчуны разбушевались».

В 2002 году она снялась в фильме своего сына Эдуардо Понти — «Только между нами», исполнив роль второго плана.