Sa carrière débute dès 14 ans avec le film de Claude Pinoteau, La Boum, un énorme succès en 1980. Nouvelle réussite en 1982 avec la suite La Boum 2 qui lui vaut le César du meilleur espoir féminin. Très vite, elle donne la réplique à de grandes stars du cinéma français, dont Gérard Depardieu (Fort Saganne, Police) et Jean-Paul Belmondo (Joyeuses Pâques). Parallèlement, Andrzej Zulawski la dirige dans L'Amour braque, et devient son partenaire dans la vie.

Actrice instinctive au physique de jeune première, Sophie Marceau passe du polar (Descente aux enfers) à la romance (L'Etudiante), avec une prédilection pour les films d'époque comme Chouans ! en 1888, La Fille de d'Artagnan en 1994, ou Marquise en 1997. Dans le milieu des années 90, elle entame une carrière américaine avec Braveheart , de et avec Mel Gibson, Firelight et Anna Karenine en 1997. Son rôle de James Bond girl dans Le Monde ne suffit pas l'impose défitivement au plan international. Après La Fidélité de Zulawski, elle enchaîne avec une grosse production française, Belphégor, le fantôme du Louvre.

En 2001, après seize ans de vie commune, un enfant, et quatre films ensemble (dont Mes nuits sont plus belles que vos jours et La Note bleue) elle se sépare de son pygmalion. La même année, elle passe à la réalisation de Parlez-moi d'amour, un premier long métrage aux accents autobiographiques avec Judith Godrèche et Niels Arestrup dans les rôles principaux. Elle décide ensuite de retourner aux Etats-Unis pour jouer un second rôle dans Alex et Emma, une comédie de Rob Reiner, inédite en France. L'actrice poursuit dans la comédie avec Je reste ! (2003) de Diane Kurys, où elle retrouve Vincent Perez, dix ans après leur première collaboration dans Fanfan.