Fille de l'acteur Paul Sorvino, Mira Sorvino étudie les langues orientales à Harvard. Diplômée en 1990 en mandarin et après un séjour à Pékin, elle retourne aux Etats-Unis où elle travaille comme mannequin, serveuse, lectrice puis assistante de production à Tribeca, la société de production de Robert De Niro. En 1992, Mira Sorvino fait ses débuts à l'écran en jouant dans la série télévisée Swans crossing. L'année suivante, la jeune comédienne figure à l'affiche de Amongst friends, un drame de Rob Weiss dont elle est également directrice de casting et productrice associée.

Après avoir tenu le rôle de Marta Ferrer dans Barcelona (1994) de Whit Stillman, elle interprète l'épouse de Rob Morrow dans Quiz Show (id.) de Robert Redford. Ces deux succès critiques lui valent en 1994 le titre de Meilleur Jeune Espoir, décerné par le Motion Picture Bookers Club of America. on interprétation de la prostituée ingénue Linda Ash dans Maudite Aphrodite (1995) de Woody Allen lui vaut un Golden Globe ainsi qu'un Oscar. Dès lors, Mira Sorvino devient l'une des comédiennes les plus sollicitées d'Hollywood. Eclectique, elle alterne les genres cinématographiques.

Femme de poigne dans Mimic (1997) de Guillermo Del Toro et dans Un tueur pour cible (1998) d'Antoine Fuqua, elle fait preuve de charme et de romantisme dans Lulu on the Bridge (id.) de Paul Auster et dans Premier regard (1999) d'Irwin Winkler. Abonnée au thriller, Mira Sorvino enchaîne Summer of Sam (1999) de Spike Lee, Semana Santa (2002), dans lequel elle traque à Séville un tueur en série, amateur de tauromachie, le futuriste Final cut (2004), dans lequel elle prête main forte à Robin Williams, et Reservation Road (2007), emmené par Joaquin Phoenix.

Tournant dans des films et téléfilms passant la plupart du temps relativement inaperçus, Mira partage l'affiche de Like Dandelion Dust, Leningrad, Angels Crest, Smitty le chien, A la recherche de madame Noël, Les Sauveurs de l'espace, Perfect Sisters, Suspicions, Chloé & Théo, Un Noël mémorable, Mothers And Daughters, Double mortel, Badland, La Fille qui croyait aux miracles et After - Chapitre 3 et 4. En 2023, elle campe la femme de l'agent fédéral américain Jim Caviezel dans le controversé Sound of Freedom, centré sur les réseaux pédophiles.

Parallèlement, la native de Tenafly est davantage active côté séries et mini-séries. En témoignent ses prestations dans Trafic d'innocence, Le Dernier templier, Intruders, Stalker, Falling Skies, Modern Family, Hollywood, Condor, The Expecting, American Crime Story ou encore Shining Vale pour ne citer qu'elles. Dans la troisième et dernière saison de StartUp (2018), la comédienne incarne une redoutable agent de la National Security Agency enquêtant sur les agissements des personnages joués par Adam Brody, Otmara Marrero et Edi Gathegi.