En menos de un año obtuco el personaje de Elena - la nieta de un general ruso retirado en el episodio "Deadline" de la serie de televisión de CBS, The Agency (2001-2003). A la edad de 9 interpretó el papel de Cindy Brady en The Brady Bunch en la Casa Blanca (2002) frente a Shelley Long y Gary Cole, y una niña llamada Gina en Inhabited (2003) frente a Malcolm McDowell y Patty McCormack. A la edad de 9 y 10 tuvo el papel de la heroína del libro para niños Eloise, en dos películas hechas para televisión Eloise en la Plaza y Eloise en Navidad dirigida por Kevin Lima, con Julie Andrews como la nana. A los 11, en mayo de 2004, Sofía empezó a jugar el papel de Ariel DuBois en Medium. Vassilieva fue nominada en 2005 por un portal de Género SyFy al premio como mejor joven actor / actriz por su papel en Medium (pero perdió el premio fue ganado por Daniel Radcliffede Harry Potter Ella ganó un Premio Joven Artista en 2006 a la mejor actriz de reparto en un drama de televisión por su papel en Médium. Sofía está actualmente filmando la pantalla la adaptación de la novela el My Sister's Keeper, escrita por Jodi Picoult, junto a Cameron Diaz Jason Patric, y Abigail Breslin La película está dirigida por Nick Cassavetes. Sofía tuvo que afeitarse las cejas y su largo pelo rubio espeso para desempeñar el papel de Kate, una niña que sufre de leucemia.