Su primer papel fue para la televisión, en una nueva adaptación de "El príncipe y el mendigo" de Mark Twain, en 1996. En el año 2001 obtuvo un pequeño papel en From Hell, película interpretada por Johnny Depp Posteriormente apareció en la película Underworld y su continuación, Underworld: Evolution. En 2004 interpretó el papel de Lady Penelope en la película Thunderbirds, y posteriormente el de Isolda en Tristán e Isolda. En 2006, interpretó el papel de Madame de Pompadour en el episodio The Girl in the Fireplace de la serie Doctor Who, de Lucy Westenra en una adaptación de Drácula para la BBC y también apareció en la película Art School Confidential. En 2007, interpretó a Beth Turner, uno de los papeles principales de la serie Moonlight. También aparece en la película My Name is Hallam Foe que le valió una nominación para los premios BAFTA. Actualmente vive en Londres, en el barrio de Green Park. Sophia Myles mantuvo una relación con Charles Dance, 34 años mayor que ella, al que conoció durante el rodaje de The Life and Adventures of Nicholas Nickleby, y posteriormente con Damian Lewis Del 2005 al 2007, fue pareja de David Tennant, también actor y compañero de reparto en la serie Doctor Who.