София Майлс родилась 18 марта 1980 года в Лондоне в семье священника. Её бабушка по материнской линии русская. До 11 лет семья жила в районе Ноттинг-Хилл, после переехали в связи с переводом отца в Айслворт (западный пригород Лондона). София окончила религиозную школу, затем поступила в Ричмондский колледж.
В 16 лет была замечена сценаристом Джулианом Феллоузом в школьной постановке и приглашена в актёрский состав картины «Принц и нищий». Эта работа стала началом ее кинокарьеры.
Майлс встречалась с актёром Чарльзом Дэнсом, с которым она повстречалась на съёмках фильма «Жизнь и приключения Николаса Никельби». С 2005 до 2007, она встречалась с шотландским актёром Дэвидом Теннантом, с которым она снималась в сериалах «Война Фойла» и «Доктор Кто» (серия «Девушка в камине»). С 2005 года, она проживает в Зелёном парке, Лондон. Некоторое время ходили слухи что актриса встречалась с Полом Уилсоном, басистом рок-группы Snow Patrol, пока Майлс не объявила на телешоу «The Late Late Show with Craig Ferguson» что она ни с кем не встречается.