Софи Марсо родилась в семье шофера трейлера и продавщицы. В кино она попала случайно: от одной из своих подруг Софи Марсо узнала о том, что Клод Пиното набирает подростков для своего нового фильма, и решила за компанию с ней сходить на кинопробы. В результате 14-летнюю Марсо выбрали на главную роль из нескольких тысяч претенденток. Фильм «Бум» (1980) имел грандиозный успех, и вскоре было снято его продолжение — «Бум 2» (1982), за который Софи получила премию «Сезар» в номинации «Лучший дебют и самая многообещающая актриса».
В 16 лет Софи Марсо сыграла с Жераром Депардье и Катрин Денев в фильме «Форт Саган». Депардье вновь стал ее партнером по фильму Мориса Пьяла «Полиция», а в 1984 году Софи Марсо сыграла в «Шальной любви». Затем последовали «Мои ночи прекрасней ваших дней» и «Голубая нота».
Первой англоязычной ролью Софи Марсо была принцесса Изабелла в фильме Мэла Гибсона «Храброе сердце».
В 1995 году Софи Марсо снялась у Антониони в фильме «За облаками» вместе с Джоном Малковичем. В 1997-м — сыграла Анну Каренину в фильме Anna Karenina. В 1999 году Марсо исполнила роль в девятнадцатой картине про Джеймса Бонда («И целого мира мало»). В перерывах между съемками в кино Софи снимается в рекламе.
