Sofia Villani Scicolone törvénytelen gyermekként Rómában született és Nápoly szegénynegyedében nőtt fel. A gyufaszálnak csúfolt kislányból tizenöt éves korára hosszú lábú, dúskeblű bakfis lett, aki egy szépségversenyen nyert vonatjeggyel utazott Rómába. Ott a Cinecittában a Quo Vadis? című amerikai szuperprodukcióban előbb csak statisztált, majd a főszereplő Deborah Kerr rabszolganője lett, modellként dolgozott és szépségversenyekre is benevezett.
A fiatal lányra felfigyelt a nála 24 évvel idősebb Carlo Ponti producer, kijárt neki egy próbafelvételt. A lesújtó eredményt – orrát túl nagynak, csípőjét túl erősnek találták – feledtette a protekció, így alig 19 évesen – immár Sophia Loren művésznéven – az Aida filmváltozatában megkapta első főszerepét. A szerepet először Gina Lollobrigidának ajánlották fel, de ő nemet mondott, mert nem akart egy operaénekesnő dublőze lenni – ezzel kezdődött a két színésznő rivalizálása.
Az Egy asszony meg a lánya című, saját hányatott gyermekkorát idéző filmben már színészi képességeit is megcsillanthatta. Alberto Moravia regényének filmváltozatában alig 27 évesen játszotta el a háború embertelensége elől menekülő anyát és 1961-ben, a filmtörténetben elsőként nem angol nyelvű alkotásban nyerte el a legjobb színésznőnek járó Oscar-díjat.
A siker nyomán megpróbálkozott Hollywood bevételével, de a sajtó érdeklődését leginkább Cary Granttel folytatott futó viszonya keltette fel. Holott Loren olyan nagyságokkal játszott együtt, mint Richard Burton, Marlon Brando vagy Clark Gable, 1967-ben Charlie Chaplin rendezte A hongkongi grófnőben. Érett korában az idős Jack Lemmonnal és Walter Matthauval forgatott két komédiát és a mai napig ő a legtöbb amerikai filmben szerepelt olasz színésznő.
Hazájában annál nagyobb rajongás övezte, Marcello Mastroiannival ők alkották az olasz film álompárját, több mint tíz alkotást készítettek együtt (Tegnap, ma, holnap; Házasság olasz módra; Napraforgó; A pap felesége; Egy különleges nap; Véres föld). 1994-ben, másfél évtized után játszottak ismét együtt a Robert Altman rendezte, parádés szereposztású Divatdiktátorok című filmszatírában.