Militante socialiste, élue locale à Villejuif, elle est successivement élue conseillère régionale et sénatrice en . Elle quitte le Parti socialiste en et est désormais membre du parti Génération.s de Benoît Hamon. Elle est élue députée en 2022 dans le cadre de l'accord Nupes.
Elle travaille comme coordinatrice des affaires culturelles dans les communes de Morsang-sur-Orge (1999-2000) puis Marcoussis (2000-2002) et Viry-Châtillon (2002-2008) et réussit alors le concours d'attachée territoriale (2004).
Toujours à Viry-Châtillon, elle devient chargée de l'évaluation des politiques publiques (2008-2014). En 2014, elle est accueillie dans le corps des attachés de la Ville de Paris pour devenir directrice de la caisse des écoles du XIVe arrondissement, et est intégrée dans ce corps en 2017.
Elle est ensuite[Quand ?] placée en disponibilité pour mener sa carrière politique à plein temps.
Elle est présente sur la liste d'Harlem Désir aux élections européennes de 2004, en Île-de-France mais n'est pas élue[4].
À partir de 2008 elle est élue municipale à Villejuif en tant qu’adjointe au maire chargée du développement durable et de l’environnement, et devient présidente du groupe socialiste en 2011[3].
En 2014, après la défaite, face à une large union droite-centre-PS dissidents-écologistes, de la liste PCF-PS sur laquelle elle s'était présentée[6], elle devient conseillère municipale d’opposition à Villejuif[3].
Le , elle est élue sénatrice du Val-de-Marne pour le compte du Parti socialiste[9]. À la suite de cette élection, elle démissionne de son mandat au conseil régional d'Île-de-France[10] et reste conseillère municipale de Villejuif.
En , elle annonce quitter le Parti socialiste pour rejoindre le parti de Benoît Hamon[11].
Elle se présente sur la liste de Pierre Garzon (Parti communiste) aux élections municipales de 2020 à Villejuif et devient conseillère municipale dans la majorité.
Sophie Taillé-Polian se présente à la députation dans la 11e circonscription du Val-de-Marne, comprenant Villejuif, où elle est élue locale. Soutenue par les partis composant la NUPES, elle obtient 48,83 % des voix au premier tour et est élue au second avec 63,32 % des voix (27,66 % des inscrits)[13]. Son suppléant est Djamel Arrouche (LFI). Elle démissionne alors de son mandat de sénatrice.
Active sur le sujet du pluralisme des médias, elle soutient et promeut de manière transpartisane plusieurs garanties d’indépendance en faveur des entreprises de presse, notamment la la suite de la crise au Journal du dimanche en 2023. En février 2024, avec la directrice du « Mouvement » Latifa Oulkhouir, ancienne dirigeante du Bondy Blog, elle lance une pétition contre le renouvellement des fréquences des chaînes de télévision CNews et C8. Le sujet du renouvellement des fréquences TNT fait l'objet d'une commission d'enquête à l'Assemblée, lancée par les députés LFI, commission dont Sophie Taillé-Polian est membre[20]. Elle est également auteure d'une proposition de loi alourdissant les droits de succession dus par les plus aisés, avec un fléchage politique des sommes générées pour soutenir l'élargissement du revenu de solidarité active aux moins de 25 ans[21].
↑Quentin Laurent, « Génération-s : Benoît Hamon prend une sénatrice au PS : Élue du Val-de-Marne, Sophie Taillé-Polian doit rejoindre le mouvement de Benoît Hamon », Le Parisien, (lire en ligne, consulté le )« Le mouvement de Benoît Hamon va décrocher un nouveau parlementaire. Après avoir enregistré la venue de Régis Juanico en juin, député socialiste de la Loire proche de l’ex-candidat du Parti socialiste (PS), c’est l’arrivée de la sénatrice PS du Val-de-Marne, Sophie Taillé-Polian, qui devrait être actée sous peu ».
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