Sie wurde in den 1960er Jahren zum Weltstar. Mit Auftritten als Komparsin, so im amerikanischen Filmepos Quo Vadis, das in Cinecittà in Rom gedreht wurde, begann eine Entwicklung, die Loren rasch zum internationalen Filmstar machte. Ihre erste Hauptrolle erhielt sie in Weiße Frau lady era pret Afrika.

Sophia Loren wuchs in der Kleinstadt Pozzuoli und in Neapel in ärmlichen Verhältnissen auf. Ihr Vater Riccardo Scicolone heiratete ihre Mutter Romilda Villani auch nach der Geburt von Sophias jüngerer Schwester Maria nicht und verließ die Familie. Die Mutter versuchte, aus Sophias Schönheit Kapital zu schlagen, um die Familie durchzubringen. Beim Schönheitswettbewerb zur Miss Rom wurde sie 1950 Zweite und lernte ihren zukünftigen Ehemann kennen, den 22 Jahre älteren italienischen Filmproduzenten Carlo Ponti.

Dieser förderte sie fortan und erfand für sie den Namen Sophia Loren. 1957 ging Sophia Loren auf Initiative Pontis nach Hollywood und stand in Stolz und Leidenschaft, ihrem ersten US-Film, vor der Kamera. 1960 drehte sie in Italien unter der Regie von Vittorio De Sica das Melodram Und dennoch leben sie. Seither war sie auch als Charakterdarstellerin anerkannt und erhielt unzählige Filmpreise.

In De Sicas Kriegsepos brachte sie ihre eigenen Jugenderfahrungen auf die Leinwand und vermittelte glaubhaft den Schmerz des Krieges. Mit ihrem Filmpartner Marcello Mastroianni bildete Loren in vielen italienischen Produktionen ein Traumpaar. 2009 drehte sie nach einer seit 1996 währenden Pause wieder einen Hollywoodfilm. In über 100 Filmen hat Sophia Loren mitgewirkt. In den 1980er Jahren spielte sie auch in einigen Fernsehproduktionen. Ihre deutsche Synchronstimme ist meist Marion Degler.

Februar 2006 trug sie im Rahmen der Eröffnungsfeier der Olympischen Winterspiele 2006 in Turin gemeinsam mit anderen Berühmtheiten die Olympische Flagge ins Turiner Olympiastadion. Für Aufsehen sorgte Sophia Loren 2007, als sie im Pirelli-Kalender posierte. Im selben Jahr kündigte die 72-Jährige an, bei einem Aufstieg des Fußballclubs SSC Neapel nochmals nackt aufzutreten. Obwohl der Aufstieg des Vereins gelang, löste Loren ihr Versprechen nicht ein. 2007 starb ihr Ehemann Carlo Ponti. Loren zog sich einige Monate von öffentlichen Auftritten zurück.