Софи родилась 17 ноября 1966 года в Париже. Её отец работал шофёром трейлера, а мать — продавщицей.

В кино Софи попала случайно: от одной из своих подруг она 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. Так в одно мгновение Софи Марсо стала звездой. 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 она уже играет рядом с Жераром Депардье и Катрин Денев в фильме «Форт Саган». Депардье вновь станет её партнером по фильму в фильме Мориса Пьяла «Полиция». В 1984 году она сыграет в «Шальной любви», её первом фильме с Анджеем Жулавски. Затем последуют «Мои ночи прекрасней ваших дней» и «Голубая нота».

В это же время Софи Марсо подписала многомиллионный контракт с крупнейшей кинокомпанией Франции «Gaumont». Однако в скором времени расторгла его: девушка влюбилась в польского режиссёра Анджея Жулавского — стало не до работы. Компания выставила неустойку — миллион французских франков, на выплату которой актриса потратила почти все свои заработанные деньги.

С тех пор она стала одной из наиболее популярных и уважаемых актрис в своей стране — хотя она ещё не была звездой мирового экрана. Первой англоязычной ролью Софи была роль принцессы Изабеллы в фильме Мэла Гибсона «Храброе сердце». Когда Гибсону задали вопрос, почему на роль принцессы он выбрал Софи Марсо, тот ответил: «Она красива, она француженка и она хорошая актриса. Исполнительница роли должна была иметь, по крайней мере, два из этих качеств». Беттина Реймс, которая неоднократно фотографировала её, называет Софи «самой красивой и чувственной из молодых актрис».

В 1985 году Софи записывает свой первый (и последний) полный альбом, Certitude. Он написан тем же тандемом (слова Etienne Roda-Gil, музыка Franck Langolff), который позже писал песни для Ванессы Паради. Альбом провалился, но поклонникам Софи было интересно послушать её исполнение.

Софи принадлежит своим прекрасным героиням с сильной волей и влюбчивым сердцем. Но очень скоро ей наскучит этот имидж подростка, от которого она поспешит избавиться, преступив табу с очень зрелыми ролями («Шальная любовь», «Полиция»), из которых она выйдет повзрослевшей (с Жулавски) или разбитой (с Пьяла). Она будет отдавать себе отчёт в неустойчивости своего состояния, разделяя помост славы с самыми знаменитыми звездами: Нуаре, Депардье, Денёв, Бельмондо. Фильм «Шуаны!» принёс ей славу самой романтической актрисы года, она станет звездой рядом с другими звездами в костюмированной комедии.

На сцене Софи дебютировала в 1991 году в «Эвридике» (Ануй). За эту работу она получила «Мольера» (как открытие театрального года). Два года спустя вернулась в театр и играла в «Пигмалионе». Весной 1995 года Софи Марсо выступила в роли режиссёра своего первого короткометражного фильма «Рассвет наизнанку» длительностью 8 минут, сценарий которого она написала во время съёмок в «Храбром сердце». «Рассвет наизнанку» был представлен на открытии фестиваля «Уверенный взгляд» в Каннах в 1995 году.

В 1995 году она снялась у Антониони в фильме «За облаками» вместе с Джоном Малковичем. В 1997 Софи сыграла Анну Каренину в фильме Anna Karenina. Одной из её последних работ стала роль в девятнадцатой картине про Джеймса Бонда («И целого мира мало»). В перерывах между съёмками в кино Софи снимается в рекламе.

Несмотря на то, что она стала одной из самых популярных актрис не только во Франции, но и в Корее, Германии, России, благодаря фильмам, которые заняли одни из первых мест в рейтингах («Студентка», «Аромат любви Фанфан»), ей пришлось пережить и неудачи, да и наград за свою профессию у неё практически нет (один Сезар, спорный Мольер).

В 1996 году Марсо была избрана в качестве «лица фирмы» косметической компанией Guerlain. Есть видеоролик, в котором она рекламирует духи Champs-Elysees, прогуливаясь по Елисейским Полям. Фотовариант этой рекламы можно увидеть в русскоязычном варианте журнала Cosmopolitan (11-й и 12-й номера за 1996 год). Реклама проходит под девизом: «Жизнь прекрасна, когда творишь её сам».