Софья Абрамовна Могилевская родилась в Москве, в зажиточной еврейской семье. Отец — известный московский виолончелист и музыкальный педагог Абрам Ильич Могилевский — с детства учил детей (в семье их было трое: Григорий, Софья, Евгения) музыке и планировал дать им музыкальное образование. Софья училась игре на фортепиано сначала дома, затем в музыкальной школе имени Гнесиных, потом закончила музыкальный техникум им. Глазунова.
На лето семья выезжала на дачу в подмосковное Крёкшино. В сентябре 1909 года в Крёкшине у Черткова жил Лев Толстой, и Абрам Ильич играл для него вместе со скрипачом Сибором и пианистом Гольденвейзером произведения Гайдна, Бетховена и Аренского. Встреча с Толстым и его суждения о музыке произвели сильное впечатление на будущую писательницу и впоследствии отразилась в её творчестве («Виолончель Санта Тереза», «Лето в Крёкшине»).
В 1928 году Софья Могилевская поступает в Московскую Консерваторию, на педагогический факультет, но в 1932 бросает её, не закончив обучение. Этот поступок чрезвычайно разгневал отца. В 1932 — 1934 годы работает корреспондентом московской областной газеты «За коллективизацию». С середины 30-х годов начинает писать рассказы и повести для детей и целиком отдаёт себя литературному творчеству. Первая книга «Лагерь на льдине» о подвиге челюскинцев выходит в 1935 году. Затем Могилевская знакомится с Иваном Кутяковым, командиром Чапаевской дивизии (принявшим командование после смерти Чапаева) и под влиянием рассказа о мальчике из чапаевской дивизии пишет повесть «Чапаёнок», а затем другие произведения для детей о Гражданской войне.
Перед самой войной выходит повесть «Марка страны Гонделупы», принёсшая Могилевской впоследствии всесоюзную известность. Во время войны С. А. Могилевская работает в детском доме в деревне Цыбикнур Марийской республики, о чём потом напишет в книге «Дом в Цыбикнуре» (1949). По окончании войны возвращается в Москву и продолжает много писать для детей. Её повести о детях и подростках, о школе, музыке, театре, спорте издаются и переиздаются, переводятся на разные языки и находят благодарных читателей среди новых и новых поколений ребят. Писательница активно работает до самых последних дней. Умерла и похоронена в Москве в 1981 году.
Первый муж — инженер Александр Аронов — был репрессирован: его арестовали 23 июня 1941 года, и через год он погиб (реабилитирован в 1959 году). Второй раз Софья Могилевская выходит замуж за писателя Николая Васильевича Лукина. Сын от первого брака Михаил.
Трилогия о русском театре ХVIII века: