Egy évvel később, második szépségversenyén fedezte fel a nála 24 évvel idősebb Carlo Ponti, aki a kis statisztalányt beajánlotta producer ismerőseinek. Bár a próbafelvételeken orrát túl nagynak, csípőjét túl erősnek találták, a protekció révén egyre komolyabb szerepekben domboríthatott.

1953-ban - immár Sophia Loren művésznéven - megkapta az Aida című operafilm főszerepét, amelyet Gina Lollobrigida korábban visszautasított. Ekkortól datálható a két szexbombának a korabeli sajtóban kebelháborúként emlegetett rivalizálása - a közönség legnagyobb örömére. Loren 1960-ban az Egy asszony meg a lánya című, saját hányatott gyermekkorát idéző filmben színészi képességeit is csillogtatta, és a filmtörténetben elsőként nem angol nyelvű alkotásban nyerte el a legjobb színésznőnek járó Oscar-díjat.

A siker nyomán megpróbálkozott Hollywood bevételével, ahol a legnagyobb feltűnést Cary Granttel folytatott futó viszonyával keltette. Érett korában az idős Jack Lemmonnal és Walter Matthauval forgatott két habkönnyű komédiát, és a mai napig ő a legtöbb amerikai filmben szerepelt olasz színésznő. Hazájában annál nagyobb rajongás övezi, Marcello Mastroiannival ők alkották az olasz film álompárját. Loren jobbára életteli, temperamentumos és szókimondó olasz asszonyokat formált meg, a közönség is ezzel a képpel azonosítja. Szerepálmai közül a Nem félünk a farkastól felesége és az Anna Karenina maradt ki, legnagyobb bánata, hogy nem dolgozott együtt Fellinivel (bár idén egy filmben a rendező édesanyját alakította).

Magánélete korántsem izgalmas: mindvégig Ponti párja volt, akihez 1957-ben Mexikóban feleségül is ment. A korábban családos producer válását azonban Itáliában nem ismerték el és bigámiával vádolták, ezért sokáig külföldön éltek. Két fiuk közül az egyik rendező, a másik zenész lett, utóbbi néhány évvel ezelőtt Budapesten tartotta egyházi esküvőjét egy magyar hegedűművésznővel.

Az olasz film nagyasszonya második Oscar-díját 1991-ben életművéért kapta; 2004-ben Grammy-díjat is nyert a legjobb prózai gyermekalbum kategóriában. Gyerekkora helyszínén szobrot is akartak állítani neki, de ő nem járult hozzá, Torontóban és Jesolóban viszont utcát neveztek el róla. 1992 óta az ENSZ Menekültügyi Főbiztosságának jószolgálati nagykövete, valamint a Napoli csapatának szurkolója.

Fegyelmezett életmódjának köszönheti ma is csodás alakját: naponta 45 percet tornázik, és bár szakácskönyvet is írt, tudatosan táplálkozik. Neve áruvédjegy, a Loren-szemüvegek világszerte ismertek. Közel a hetvenhez még visszautasította a Playboy aktfotó-ajánlatát, de 2007-ben a Pirelli-naptárnak már nem tudott nemet mondani, így ő lett annak legidősebb szereplője.