Sonia Bergamasco è nata a Milano, dove si è diplomata in pianoforte presso il Conservatorio Giuseppe Verdi, e in recitazione presso la Scuola del Piccolo Teatro.
Debutta nell'Arlecchino servitore di due padroni di Giorgio Strehler, ed è la Fatina dell'ultima edizione teatrale e televisiva del Pinocchio di Carmelo Bene. A teatro ha lavorato anche con Theodoros Terzopoulos, Massimo Castri e Glauco Mauri.
Dal 2001 è interprete e regista di spettacoli in cui l'esperienza musicale si intreccia più profondamente con il teatro. Premio Duse 2014 per il suo lavoro d'attrice, nel 2015 è regista e interprete dello spettacolo Il ballo (tratto dal racconto di Irène Némirovsky).
Al cinema debutta nel 2001 con L'amore probabilmente di Giuseppe Bertolucci presentato alla Mostra di Venezia. Nastro d'argento 2004 come attrice protagonista in La meglio gioventù di Marco Tullio Giordana, lavora anche con Bernardo Bertolucci in Io e te (2012), Giuseppe Piccioni in Giulia non esce la sera (2009), Silvio Soldini nel cortometraggio D'estate (1994), con Franco Battiato in Musikanten (2006). Ottiene il Premio Flaiano come miglior interprete nel film tv De Gasperi, l'uomo della speranza (2005) di Liliana Cavani e sempre per la televisione riscuote grande successo nelle fortunate serie Tutti pazzi per amore (2008-2010) e Una grande famiglia (2012-2015) di Riccardo Milani.
I suoi successi più recenti sono il film Quo vado? con Checco Zalone, diretto da Gennaro Nunziante, per il quale ha ottenuto il Premio Alida Valli al Bari Film Festival, e le nuove puntate del Commissario Montalbano, con Luca Zingaretti.
Scelta come madrina del Festival di Venezia 2016.