Sophia Myles est née à Londres d'une mère éditrice et d'un père vicaire anglican. Elle grandi à Notting Hill puis à Isleworth. Elle a commencé le théâtre en jouant dans une pièce de son école. Elle fut acceptée à Cambridge pour étudier la philosophie, mais auditionné par Julian Fellowes, elle choisit la carrière d'actrice. Sa carrière comporte notamment en 2001 un petit rôle comme femme de Johnny Depp dans le film From Hell. Elle apparaît également dans le film Underworld et sa suite Underworld : Evolution. En 2004 elle joue Lady Penelope dans le film Thunderbirds, puis Yseult dans le film Tristan et Yseult. Cette même année, elle prend le rôle de Madame de Pompadour dans l'épisode La Cheminée des temps de la série Doctor Who, de Lucy Westenra dans une adaptation de Dracula pour la BBC et joue dans le film Art School Confidential.

En 2007, elle joue l'un des rôles principaux de la série Moonlight. Elle est également dans le film My Name is Hallam Foe qui lui vaut une nomination au British Independent Film Awards. Elle vit à Londres dans le quartier de Green Park. Sophia Myles a eu une relation avec Charles Dance qu'elle rencontra sur un plateau puis avec Damian Lewis. De 2005 à 2007, elle a été en couple avec David Tennant, également acteur. Elle est maintenant en couple avec Paul Wilson le bassiste du groupe Snow Patrol.