소피 마르소는 트럭운전사인 아버지와 백화점 홍보원인 어머니 사이에서 태어났으며 영화배우가 되기 전에 그녀는 파리 교외에서 살았다.
소피가 13세 때에, 영화 < 라 붐 >의 새로운 10대 배우를 공개모집한다는 소식을 전해 듣고 지원을 결심한다.
그리고 그녀는 700:1의 경쟁률을 뚫고 의 주인공으로 캐스팅되고,
이 영화는 파리에서만 관객 450만을 동원시킬 정도로 큰 흥행을 기록한다. 그래서 속편을 잘 만들지 않는 프랑스에서 2년 후에 또 다시 소피를 주인공으로하여 속편을 제작하게 된다. 이 영화를 통해 소피는 프랑스가 낳은 10대의 우상이 된다.

그 후 그녀는 백만프랑의 돈을 위해 16세 되던 해에 Gaumont와 재계약을 하게 된다. 후에 그녀는 이에 관해 자신은 그들이 시키는 대로 해야만 하는 애완동물과 같은 존재였다고 말했다.
그 후로 그녀는 프랑스를 대표하는 여배우가 되지만 아직 세계적인 배우로서 인정받지는 못하고 있었다.
이러한 그녀에게 첫번째로 세계무대에 발을 내딛게 한 영화는 이다.

이후 , 등의 작품에 출연하였고, 1999년에는 에서 본드걸로 출연하여 많은 화제가 되었다.
1995년 를 찍는 동안 썼던 시나리오로 〈Laube à lenvers〉8분짜리 단편영화를 연출하며 감독으로 데뷔하였고, 2002년 , 2007년 등의 작품을 연출하였다.

폴란드 출신의 영화감독 안드레이 줄랍스키와 여러편의 영화를 함께 작업하며 연인으로 발전하였고, 아들을 출산하였으나 결별하였으며, 2007년 자신이 감독한 영화 에서 함께 작업한 크리스토퍼 램버트와 2012년 결혼하였다.