Comme Noémie Lvovsky, Solveig Anspach ou Emilie Deleuze, Sophie Fillières est issue de la première promotion de la Femis, section réalisation (de 1986 à 1990). Dans le cadre de la prestigieuse école, elle tourne plusieurs courts métrages (L'Insu, Antoine facteur, La Fille du directeur et la correspondante anglaise...). En 1991, elle signe un court très remarqué, Des filles et des chiens (Prix Jean-Vigo), conversation comico-existentielle entre deux jeunes filles, interprétées par les débutantes Sandrine Kiberlain et Hélène Fillières, qui n'est autre que sa soeur. Dans les années 90, elle collabore au scénario de films réalisés par la jeune génération du cinéma français (Nord, Oublie-moi, Sombre).

En 1994, elle passe au long métrage avec Grande petite, sélectionné à Berlin en 1994, ou l'histoire d'une jeune fille (Judith Godrèche) qui trouve dans la rue un pistolet et une forte somme d'argent. Titre énigmatique, situation insolite, personnage central féminin : voilà déjà quelques constantes de l'univers de Sophie Fillières.

Par la suite cependant, la dimension comique sera plus marquée. Dans Aïe (2000), elle offre à sa soeur un beau personnage de fille fantasque qui donne du fil à retordre à André Dussollier. En 2005, Emmanuelle Devos campe Fontaine Leglou, l'héroïne borderline de Gentille, le troisième opus de la réalisatrice. Et c'est Chiara Mastroianni qui incarne l'écrivain en mal d'inspiration de Un chat un chat, comédie d'auteur sur le pouvoir du langage. La réalisatrice y dirige pour la première fois sa fille Agathe Bonitzer, née de son union avec le scénariste et réalisateur Pascal Bonitzer. Elle retrouvera Emmanuelle Devos et Sandrine Kiberlain dans respectivement Arrête ou je continue (2014), et La belle et la belle, une comédie dramatique pleine de charme et de nostalgie.

Talentueuse scénariste, on lui doit notamment le récit d'un film très remarqué en 2020 qui sera d'ailleurs en sélection officielle à Cannes, Garçon Chiffon. Un journal intime décalé et à l’égocentrisme assumé, racontant comment un Parisien trentenaire au bord de la crise conjugale quittait la capitale pour se réparer auprès de sa mère.

Sophie Fillières décède le lundi 31 juillet 2023, avant la sortie de ce qui est donc son ultime long-métrage en tant que réalisatrice, Ma vie Ma gueule. Le public la retrouve également de façon posthume dans la Palme d'or Anatomie d'une chute de Justine Triet, dans lequel elle tient un petit rôle.