Sophia Di Martino stammt aus Nottingham und wuchs in Attenborough, in der Grafschaft Nottinghamshire auf. Bereits seit ihrer Schulzeit hegte sie den Wunsch Schauspielerin zu werden und trat in Schulaufführungen auf. Sie machte ihren Abschluss an einer Schule für Darstellende Kunst und nahm anschließend ein Studium an der University of Salford in den Fächern Darstellung und Medien auf. Während ihrer Studienzeit fand sie einen Agenten, der ihr noch vor dem Abschluss Auftritte im Britischen Fernsehen vermittelte. Zudem begann sie in Werbespots aufzutreten, unter anderem für ein bekanntes Bauunternehmen.[1]
In der Musikkomödie Yesterday aus dem Jahr 2019 wirkte Di Martino in einer Nebenrolle als Carol mit. 2020 trat sie in den Serien Silent Witness und Hitmen auf. Seit 2021 gehört sie als Variante des von Tom Hiddleston verkörperten Loki zur Hauptbesetzung der gleichnamigen Serie aus dem Marvel Cinematic Universe. Zum Zeitpunkt ihrer Besetzung war sie im neunten Monat schwanger. Gemeinsam mit ihrem Co-Schauspieler und Produzent der Serie, Hiddleston, erarbeitete sie ihre Figur.[2]
Di Martino ist mit dem Autor Will Sharpe liiert, der unter anderem das Drehbuch zum Film Black Pond aus dem Jahr 2010, in dem Di Martino als Rachel in einer kleinen Rolle auftrat schrieb und Schöpfer der Serie Flowers ist.[3] Sie hatte sowohl mit Männern als auch Frauen Beziehungen.[4] Di Martino ist Mutter eines Kindes.
