Во время участия в очередном конкурсе Софи познакомилась с продюсером и своим будущим мужем Карло Понти, который был её старше на двадцать два года. Понти был в то время женат, а для католика получить развод было делом весьма непростым. Отчаявшись дождаться, когда Ватикан утвердит развод, Карло и София тайно поженились в Мексике. По прошествии времени долгожданный развод был получен и 9 апреля 1966 года Карло вторично женился на Софии.

Первоначально Понти позиционировал свою избранницу в качестве секс-бомбы в таких малоизвестных картинах, как «Торговля белыми рабынями» (1953). Зачастую действие этих фильмов происходило в экзотической обстановке, давая Лорен возможность щеголять перед зрителями в замысловатых нарядах. С другой стороны, будущая суперзвезда не стеснялась наготы, так что в ряде картин её можно было увидеть топлесс.

К середине 50-х годов София стала звездой и секс-символом Италии. Первоначально актриса снималась под псевдонимом Лазарро, но в 1953 году по настоянию Понти сменила его на Лорен. Первым фильмом Лорен, вышедшим в прокат за пределами Италии, был «Аттила — бич божий» (1955) с Энтони Куинном.

Именно де Сика в полной мере открыл актёрское дарование Софи Лорен. Практически все наиболее значительные роли были сыграны ею в фильмах этого режиссёра — «Чочара» с Жаном-Полем Бельмондо (1961, приз Каннского фестиваля), «Вчера сегодня завтра» (1963), «Брак по-итальянски» (1964, приз Московского фестиваля), «Подсолнухи» (1970). В трех последних картинах партнером Софи Лорен был Марчелло Мастроянни, с которым они составили один из самых знаменитых дуэтов в истории кино.

Вершиной актёрского мастерства Софи Лорен было исполнение роли матери в «Чочаре» — неореалистическом фильме, снятом по роману Альберто Моравиа. В одной из кульминационных сцен героиня Лорен становится жертвой грубого насилия. Актёрская выразительность и органичность Лорен произвели такое впечатление на заокеанских кинокритиков, что за эту роль ей была присуждена премия «Оскар». Это единственный случай, когда премия в данной номинации вручена за фильм, снятый не на английском языке

Для съемок в вестерне «Чертовка в розовом трико» (1960) актриса впервые перекрасилась в блондинку. За провальную сагу «Падение Римской империи» она одной из первых в мире получила неслыханный дотоле гонорар в миллион долларов. В 1967 г. ей довелось сыграть русскую проститутку в последнем фильме великого Чарли Чаплина — «Графине из Гонконга».

В течение пятнадцати лет (1957-72) Лорен удалось поработать практически со всеми самыми популярными актёрами и секс-символами Голливуда: Энтони Перкинсом («Любовь под вязами», 1958), Энтони Куинном («Черная орхидея», 1958), Кларком Гейблом («Это началось в Неаполе», 1960), Питером Селлерсом («Миллионеры», 1961), Чарлтоном Хестоном («Эль Сид», 1961), Алеком Гиннессом («Падение Римской империи», 1964), Полом Ньюманом («Леди Л.», 1965), Грегори Пеком («Арабеска», 1966), Марлоном Брандо («Графиня из Гонконга», 1967), Питером О’Тулом («Человек из Ламанчи», 1972) и Ричардом Бёртоном («Короткая встреча», 1974).

Во второй половине 1970-х Лорен все реже появляется в кино, а с 1984 г. её роли становятся и вовсе единичными. В 1979-80 годах она опубликовала автобиографическую книгу и выпустила основанный на ней телефильм. В 1982 г. была приговорена к 18-дневному заключению за уклонение от налогов. В течение последующих лет написала ещё одну книгу воспоминаний и основала парфюмерную серию. В 1999 году вышла её книга «Рецепты и воспоминания».

В 1994 году она в последний раз снялась с Мастроянни в фильме Роберта Олтмена «Высокая мода», а в 1996 году сыграла с Джеком Леммоном и Уолтером Маттау в американской комедии «Старые ворчуны разбушевались».