Die in Nottingham geborene Sophia Di Martino studierte an der University of Salford.
2004 übernimmt sie ihre erste kleinere Rolle in der Serie „Holby City“. Nach einigen Gastrollen übernahm sie 2008 eine Hauptrolle in der Medizinerserie „The Royal Today“. In Casualty spielte sie 2009-2011 Polly Emmerson.
2016 folgte die Hauptrolle in der Comedyserie Flowers, die zwei Staffeln lang lief. Di Martino spielte 2017 in „Election Spy“ mit. Auf der Kinoleinwand erschien sie 2019 in der musikalischen Komödie „Yesterday“ als Carol. 2021 erschien Sophia Di Martino in der Rolle der Lady Loki aka Sylvie in der Marvel-Serie Loki.
Sophia Di Martino ist mit Will Sharpe liiert. 2019 wurde ihr Kind geboren.