Elle a commencé sa carrière musicale en participant à la saison 2 du concours Star Académie (Star Academy) diffusé sur TF1 en France en 2005, où elle a terminé en seconde position derrière Sébastien Tellier. Cette expérience lui a permis de gagner le public et de signer son premier contrat discographique avec Sony Music en France.
En 2006, Sophie Dion sort son premier album solo intitulé "Le Jardin Secret", qui comprend des chansons comme "Ma voix", "Je t'aime" et "Seule". L'album a été un succès commercial en France, où il a atteint la 10e place du classement des ventes d'albums.
En 2007, elle sort son deuxième album solo, intitulé "L'Île aux Merveilles", qui est également un succès en France et à travers le monde francophone. Le premier single de l'album, "Je vais t'aimer", a été un hit international et est resté numéro 1 des ventes en France pendant plusieurs semaines.
En 2009, Sophie Dion sort son troisième album solo, intitulé "Le Monde magique de Sophie Dion". Le premier single de l'album, "Je danse", a été un succès en France et a atteint la 3e place du classement des ventes d'albums.
En 2010, elle sort un album collaboratif avec le chanteur David Hallyday intitulé "Le Secret", qui comprend des chansons originales ainsi que des reprises de classiques de la musique française. Le deuxième single de l'album, "Viens danser la samba", a été un hit international et est resté numéro 1 des ventes en France pendant plusieurs semaines.
En plus de sa carrière solo, Sophie Dion a participé à divers projets musicaux tels que les spectacles du Cirque du Soleil et le projet d'Alain Bashung "Rouge". Elle a également collaboré avec des artistes tels que Pascal Obispo, Garou, Lorie et Mickaël Miro.
En 2016, elle sort son quatrième album solo intitulé "Le Sourire de l'amour", qui est un retour à ses racines dans la musique pop française. Le premier single de l'album, "Le Jour où nous rencontrerons", a été un hit international et a atteint la 2e place du classement des ventes d'albums en France.
En 2019, Sophie Dion sort son cinquième album solo intitulé "L'Étoile filante", qui est un hommage à ses racines dans la musique française et aux artistes qui l'ont influencée. Le premier single de l'album, "Comme une étoile filante", a été un hit international et a atteint la 1re place du classement des ventes d'albums en France.
En plus de sa carrière musicale, Sophie Dion est également une animatrice télévisée à la télévision française et est souvent invitée dans des émissions telles que "Le Grand Journal" et "Quotidien". Elle est également ambassadrice de l'UNICEF pour la défense des droits des enfants.