Manhattanben, New York Cityben született. Tenaflyban, New Jerseyben nőtt fel, Lorraine Davis és Paul Sorvino színész gyermekeként. 2 testvére, Michael, és Amanda. A Dwight-Englewood High School színházában szerepelt. Mira Sorvino édesapja révén olasz származású.
New Yorkba utazott, hogy színésznő lehessen. 1993-ban szerepelt az Amongst Friends című filmben, ami az első filmje volt. Egy Woody Allen filmben eljátszott szerep után 1995-ben Oscar-díjat nyert. Szintén 1995-ben az egyik főszereplője volt a Hozományvadászok című kosztümös angol minisorozatnak. Szerepelt a Romy és Michelle - Szőkébe nem üt a mennykő (1997) című filmben, egy HBO produkcióban, Norma Jean & Marilyn, (1996) a Mimic - A júdás fajban (1997) és más sikerprodukciókban. 2008-ban vendégszerepelt a Doktor House című sorozatban.
Magánélete
Az 1990-es évekbenQuentin Tarantino párja volt. 2004. június 14-én hozzáment Christopher Backus színész-rendezőhöz. Négy gyermekük született: Mattea Angel, Lucia, Johnny Christopher King és Holden Paul Terry Backus.