Aun así, durante los últimos cursos Sorvino intervino en producciones teatrales del colegio, donde adquirió sus primeras experiencias de interpretación. Más tarde continuó actuando en los montajes teatrales de su universidad. Estudió en la Universidad Harvard, donde se licenció "magna cum laude" en estudios de Asia Oriental. Vivió un año en China, durante el cual aprendió a hablar con fluidez el chino mandarín. También habla el francés. Después de terminar sus estudios universitarios, Sorvino pasó tres años en Nueva York intentando hacerse un nombre como actriz sin ayuda de nadie. Como tantos otros jóvenes actores y actrices, también ella hizo diversos trabajos mientras esperaba su oportunidad. Uno de sus trabajos fue el de ayudante de producción en una compañía cinematográfica. Cuando en 1993 se inició la pre-producción de la película Amongst friends, Sorvino fue contratada como tercera ayudante de dirección. Sin embargo, pronto fue promocionada a los puestos de directora de casting y de productora asistente, y finalmente se le ofreció el papel principal femenino de la película. Las críticas de su actuación fueron positivas, lo que le abrió las puertas para actuar en otras películas. Una interpretación que en 1995 la convirtió en una actriz de reconocido prestigio, fue la de prostituta parlanchina y de voz aguda en Poderosa Afrodita, de Woody Allen, por la que Sorvino obtuvo el Óscar a la mejor actriz de reparto. Desde entonces ha trabajado de forma continuada en papeles principales y secundarios, en películas de las que algunas tuvieron un considerable éxito comercial, como Romy y Michelle, coprotagonizada por Lisa Kudrow y A primera vista, con Val Kilmer Sorvino mantuvo durante varios años una relación con Quentin Tarantino y más recientemente con el actor francés Olivier Martínez. Actualmente está casada con el actor Christopher Backus.