Sophie blev født i Wismar i Mecklenburg som eneste barn af hertug Ulrik 3. af Mecklenburg-Güstrow og Elisabeth af Danmark, der var datter af Frederik 1. af Danmark. Vi ved ikke meget om Sophies opvækst, men i 1571 skriver hun sig for alvor ind i Danmarkshistorien, da hun, blot 14 år gammel, bliver forlovet med sin fætter, den 37-årige danske konge Frederik 2.

Brylluppet fandt sted året efter parrets forlovelse 20. juli 1572 på Københavns Slot. På trods af aldersforskellen, lader det i følge kilderne til, at deres ægteskab var harmonisk. I Frederik 2.s dagbogsnotater omtaler han hende som sin ”Soffye”, og han beskriver deres samliv og forhold i kærlige vendinger. Som dronning opførte Sophie sig eksemplarisk.  Hun holdt sig i baggrunden og blandede sig ikke i politik, præcis som man forventede af en dronning. Hun samlede på folkeviser og interesserede sig for naturvidenskab, og besøgte flere gange astronomen Tycho Brahe på hans observatorium Uranienborg på øen Hven. I løbet af 10 år fik parret otte børn, heriblandt sønnen Christian (4.).

Dronning Sophie havde ingen politisk indflydelse, mens Frederik 2. stadig levede, men det ændrede sig efter hans død i 1588. Her tog den 31-årige enkedronning sig en mere fremtrædende rolle, bl.a. som formynder for den endnu umyndige søn og konge Christian 4. med den magt det medførte. Enkedronning Sophie var optaget af at sikre alle sine børns fremtid og havde derfor store ægteskabsplaner for dem. Det lykkedes hende bl.a. at få den næstældste datter, Anna, gift med Jacob 6. af Skotland. Anna blev derved dronning af Skotland og senere også England. De yngre sønner ønskede hun at sikre hertugdømmer i Slesvig og Holsten, og som ambitiøs enkedronning kom hun hurtigt på kant med regeringsrådet, der synes hun blandede sig for meget. I 1594 blev hun forvist til sit enkesæde Nykøbing Slot på Falster. 

Som forvist enkedronning viste Sophie sig hurtigt som en benhård forretningskvinde og en dygtig administrator af sine godsbesiddelser på Lolland og Falster. Hun effektiviserede og moderniserede godsdriften, byggede møller og drev en omfattende handel. Selve slottet blev også moderniseret og fik blandt andet indlagt vand.  

En anden lukrativ gren af Sophies forretninger var lånevirksomhed. Adskillige europæiske fyrster lånte penge af hende. Det gjaldt også hendes søn Christian 4., som flere gange måtte stå med hatten i hånden hos mor, når han manglede penge til sine bygværker og kostbare krige.  

Samlet gjorde Sophies forretningstalent hende til Nordeuropas rigeste privatperson, da hun døde 74 år gammel i 1631. Her lød formuen på 5.5 millioner rigsdaler; en helt uhørt sum omregnet til dagens valuta. De mange penge forsvandt dog hurtigt i hænderne på hovedarvingen, Christian 4., som hurtigt formøblede hele formuen på byggeri, den ældste søns bryllup og krigen mod Sverige.

Dronning Sophie er begravet med sin mand, Frederik 2., i Roskilde Domkirke.  

På portrættet, der er udført af Hans Knieper, er hun antageligt iført sin bryllupsdragt og en krone af guld med hvide perler.