Sophie fait ses débuts en tant que réalisatrice en 2004 avec le court métrage La Tête dans le vide, après avoir fait des études à l’Ecole Duperré puis l’Ecole nationale supérieure des arts décoratifs. Elle réalise ensuite deux moyens métrages : Manue Bolonaise (2005) puis Roc et Canyon (2007). En 2009, elle écrit et tourne La Vie au Ranch, dans lequel elle filme un vrai groupe d’amis vivant en communauté. L’histoire est inspirée de personnes et situations que la réalisatrice a connues, et participe à un certain discours sur la féminité qui a pour but de casser certains fantasmes véhiculés par le cinéma. Le film est récompensé par le Prix du public et le prix du film français au Festival Entrevues 2009. 

Trois ans plus tard, Sophie Letourneur réalise Le Marin masqué, un court métrage présenté dans de nombreux festivals l’année de sa sortie, et qui reçoit un prix au Festival Tous Court d’Aix-en-Provence. Pour ce film, qu’elle tourne de manière très artisanale, la cinéaste donne forme à un dispositif original, qui met en relation plusieurs temporalités grâce à la voix-off des personnages. La même année, elle met en scène son deuxième long métrage, Les Coquillettes, une nouvelle comédie féminine, sorte de mise en abyme qui se déroule lors de la présentation du Marin Masqué au festival de Lorcarno, dans lequel la cinéaste se met en scène aux côtés de Camille Genaud et Carole Le Page, et utilise le même dispositif narratif que Le Marin Masqué.

Elle réalise un nouveau long métrage en 2014, Gaby Baby Doll, qui au vu de son casting professionnel (Lolita Chammah, Benjamin Biolay et Felix Moati) marque un tournant dans la carrière de la réalisatrice qui s’est fait une place dans le palmarès du cinéma français. 5 ans plus tard, Sophie Letourneur met en scène la comédie Enorme portée par Marina Foïs et Jonathan Cohen. Il s'agit des deux seuls acteurs professionnels du film qui raconte la manoière dont un homme va mettre sa femme enceinte malgré elle.