Родилась 17 ноября 1966 года в пригороде Парижа. Её отец работал шофёром трейлера, а мать была продавщицей. В детстве она оказалась на кастинге для нового фильма Клода Пиното. При том, что настоящая фамилия Софи была Мопю, на пробах она назвалась Марсо, просто потому что ехала туда по авеню Марсо. В итоге именно четырнадцати летней Софи отдали главную роль в молодежном фильме «Бум», который имел широкий успех у зрителей всего мира и сделал Софи настоящей звездой.
Благодаря успеху первого фильма, было снято и продолжение «Бум 2» за роль в котором Марсо была удостоена премии «Сезар». Слава обрушилась на Софи слишком внезапно, а учитывая то, что в детстве она была робкой и замкнутой, то всеобщее внимание не пришлось ей по душе. К тому же родители, не обсудив с дочерью всех вопросов, заключили многолетний контракт с одной из кинокомпаний. В итоге Софи решила разорвать этот контракт, в связи с чем, оказалась втянутой в судебные разбирательства и выплату компенсации. В возрасте шестнадцати лет Марсо уже играла вместе с Жераром Депардье и Катрин Денёв в ленте «Форт Саган», также Депардье стал её партнером по съемочной площадке и в фильме «Полиция». Её карьера стала стремительно развиваться и вскоре на экраны вышли такие фильмы как «Шальная любовь», «Сошествие в ад», «Шуаны!», «Студентка», «Мои ночи прекраснее ваших дней», «Прощальное послание» и «Фанфан – аромат любви». Также в тот период Марсо вышла замуж за польского режиссёра Анджея Жулавского.
В какой-то момент Софи решила обратить свой взор в сторону Голливуда, так она сыграла роль в исторической драме «Храброе сердце» с Мэлом Гибсоном в главной роли. А в 1995-м году Марсо решила попробовать себя в качестве режиссера и сняла по собственному сценарию короткометражку «Рассвет наизнанку». Кроме того, годом позже она написала полуавтобиографичекий роман «Лгунья», который не был принят критиками, а спустя годы и сама Софи отзывалась о ней достаточно критически. Другими заметными голливудскими работами актрисы стали ленты «Анна Каренина», «Пламя страсти», «Сон в летнюю ночь» и одна из серий бондианы – «И целого мира мало», главную роль в которой исполнял Пирс Броснан. После чего в 2000-м году она снялась в фильме своего мужа «Верность». Следом на экраны вышла картина «Белфегор – призрак Лувра». В тот период Софи разводится с Жулавски и выходит замуж за американского продюсера Джима Лемли, с которым также развелась спустя несколько лет.
В последующие годы Марсо продолжала успешно играть как в американском, так и во французском кино, так с её участиям выходят такие картины как «Алекс и Эмма», «Я остаюсь», «Ключи от машины», «До вечера», «Неуловимый», «Пропавшая в Довиле», «Женщины-агенты «, «LOL [ржунимагу]», «По ту сторону кровати», «Не оглядывайся» и «Картахена». А среди последних работ актрисы можно отметить французские фильмы «Большая маленькая Я» и «Любовь с препятствиями».
Кроме того Софи за свою актерскую карьеру дважды выступала в качестве режиссера полнометражных фильмов, так в 2002-м году она сняла драму «Говорите мне о любви», а в 2007-м - картину «Пропавшая в Довиле». Пробовала себя Марсо и на музыкальной ниве, выпустив в 1985-м году альбом "Certitude", который пришелся по вкусу только её поклонникам. А в качестве хобби она увлекается живописью.
