Sophie de Württemberg s-a născut pe 17 iunie 1818 la Stuttgart, părinții ei fiind regele William I de Württemberg și Marea Ducesă Ecaterina Pavlovna a Rusiei, fiica țarului Paul I. La scurt timp după nașterea copilei, mama i-a murit și ea a fost dată în grija unei mătuși, Catharina de Württemberg, dar a avut o relație apropiată cu tatăl său și cu sora ei, Marie, nu însă și cu mama vitregă. Tatăl a insistat ca fetița să primească o educație bună, oferindu-i posibilitatea de a lua lecții de istorie, geografie și literatură, iar prințesa a fost instruită de cei mai buni profesori din regat.
Când avea șaisprezece ani, Sophie și sora ei au fost duse de tatăl lor într-o excursie în Italia și, datorită regelui William I, au intrat în contact cu ideile liberale ale epocii și au devenit susținătoare ale democrației și libertăților individuale.
Sophie s-a căsătorit pe 18 iunie 1839 la Stuttgart cu verișorul ei primar, viitorul Prinț de Orania, care va deveni regele Willem al III-lea. Căsătoria tinerilor a fost aranjată pentru că tatăl ei, deși era progresist în multe aspecte, era adeptul mariajelor dinastice și își dorea ca fiicele lui să se căsătorească cu monarhi.
După nuntă, Sophie și Willem s-au stabilit în Paleis aan het Plein în Haga, iar tânăra a avut o relație bună cu socrul ei, dar nu și cu Anna, mama soțului ei, care s-a opus mariajului încă de la început.
Relația dintre cei doi tineri nu a fost una fericită și nu s-a îmbunătățit nici după nașterea primilor lor copii, Willem și Maurice, a căror educație a fost un motiv constant de conflict între părinți. Willem aa înșelt-o de multe ori, iar Sophie s-a refugiat în lectură. Deși încă la începutul 
mariajului s-a pus problema unui divorț, nu s-a ajuns la separarea celor doi pentru că părinții lor au considerat că despărțirea e rușinoasă pentru familia regală.
În martie 1849, socrul prințesei, regele Willem al II-lea, a murit subit, iar Willem al III-lea și Sophie au fost încoronați rege și regină ai Olandei pe 12 mai 1849 și s-au stabilit din acel moment la Palatul Noordeinde.
Cei doi au continuat să fie într-o stare de conflict permanent, pentru că regele devenise violent, chiar o lovise cu cravașa în timpul unui scandal și avea vederi ultraconservatoare. Fiul lor, Maurice, care avea doar șapte ani, a murit în
1850, după ce ambii părinți au angajat câte un medic pentru că nu s-au putut pune de acord asupra modului în care boala copilului, meningita, ar trebui tratată. Când Sophie a rămas însărcinată cu cel de-al treilea fiu al lor, Alexander, Willem l-a trimis pe băiatul lor cel mare la internat, în ciuda opoziției mamei.
Discuțiile despre divorț au continuat, ambii soți dorindu-și să se separe, dar prin medierea Prințului Frederic al Țărilor de Jos s-a ajuns la o separare oficială fără divorț în 1855 și din acel moment au trăit separați. Willem a primit dreptul de a decide cu privire la creșterea fiului lor cel mare, în timp ce Sophie a primit custodia deplină a celui mai mic, Alexander, urma să își îndeplinească îndatoririle de regină în public, dar i s-a permis să-și trăiască o viață privată, așa cum își dorea.
Regina Sophie a corespondat cu mulți cărturari ai epocii, și-a vizitat în mod regulat tatăl, care i-a rămas consilier și
confident până la moartea sa, a făcut excursii frecvente în Franța pentru a-i vizita pe Napoleon al III-lea și pe împărăteasa Eugénie și a fost foarte interesată de spiritism.
Regina a protejat artele și a finanțat artiștii, a sprijinit mai multe organizații de caritate, inclusiv una care se ocupa de protecția animalelor, a încurajat construirea de parcuri publice, a participat la expozițiile industriale din anii 1860 și s-a implicat în susținera persoanelor cu probleme mentale.
Suverana a murit la Huis zece Bosch Palace din Haga pe 3 iunie 1877, la vârsta de 58 de ani, și a fost înmormântată, așa cum și-a dorit, în rochie de mireasă, pentru că, în opinia ei, viața i se încheiase în ziua în care s-a căsătorit.
După doi ani, în 1879, regele Willem a decis să se căsătorească cu Prințesa Emma de Waldeck și Pyrmont, care era cu 41 de ani mai mică decât el. Fiica lor, Wilhelmina, va deveni regina Olandei la moartea vârstnicului ei tată, în 1890.
