С.Тойбер родилась в семье аптекаря, выходца из Германии. Отец рано умер, мать с дочерью жили поочерёдно то в Швейцарии, то в Германии. Девочка училась сперва в Санкт-Галлене (1908), затем в Мюнхене, в Гамбурге окончила школу (1913). После этого профессионально занималась изготовлением предметов прикладного искусства. Перед началом Первой мировой войны посещала в Цюрихе танцевальный класс Рудольфа фон Лабана, затем училась танцу в Асконе. В Цюрихе знакомится (в 1915) со своим будущим мужем Г.Арпом и другими художниками-авангардиствами, принимает участие в различных дадаистских акциях и мероприятиях в Кабаре Вольтер, где тогда выступает танцовщицей. Тогда же работает разработчицей и автором танцевальных и художественных костюмов, декораций, тканей.
В 1916 году получает место преподавателя при Цюрихской школе прикладного искусства по классу техники рисунка тканей, чем помогает справиться с финансовыми затруднениями молодой семье. В этот же период С.Таубер-Арп разрабатывает свой абстрактно-геометрический стиль живописи. В 1922 году Софи Тойбер и Ганс Арп официально вступают в брак.
В 1929 году художница оставляет работу в Цюрихской школе и вместе с Г.Арпом переезжает в созданный по их собственному проекту дом в Медоне близ Парижа, где их соседом был Тео ван Дуйсбург. В конце 20-х — начале 30-х годов окунается в творческую жизнь на авангардной сцене, близко сходится с Полем и Гала Элюар. Наиболее ярким художественным периодом её жизни стали 1936—1939 годы, когда художница создаёт 117 полотен.
С началом Второй мировой войны Софи и Ганс Арпы бегут из Парижа на неоккупированную немцами зону Франции, 1941 и 1942 годы Софи проводит в южнофранцузском городе Грасс. Затем, в конце 1942 перебирается в Цюрих, где 13 января 1943 года умирает от отравления угарным газом. Был ли это несчастный случай или самоубийство — так и осталось невыясненным.
Подлинное признание к мастерству С.Тойбер-Арп пришло уже после Второй мировой войны. Изображение художницы помещено на современную банкноту достоинством в 50 франков Национального банка Швейцарии.