Après avoir étudié l'art dramatique à l'Académie des arts dramatiques de Lausanne, elle débute sur scène en 1987. Elle se fait connaître du grand public grâce à son rôle de Sylvie dans la série télévisée suisse "Sauvage" (1988-1994), qui lui vaut d'être nommée aux Emmy Awards européens en 1990.
Au cours des années 1990 et 2000, Sophie Thalmann poursuit sa carrière à la télévision avec de nombreux rôles dans des séries françaises et suisses comme "Navarro", "Julie Lescaut" ou encore "La Bataille du Château". Elle se fait également remarquer au cinéma, notamment dans le film franco-allemand "L'Enfant de la forêt" (1995) et dans la comédie française "Le Cœur des hommes" (2004).
Depuis 2010, elle tient le rôle principal dans la série télévisée allemande "Les Petits Meurtres d'Agatha Christie". Elle a également joué dans plusieurs films français et suisses récents comme "Le Goût des autres" (2013), "Aurore" (2018) et "Le Couteau dans la plaie" (2019).
En plus de son activité d'actrice, Sophie Thalmann est également active en tant que metteur en scène et réalisatrice. Elle a notamment dirigé le film court suisse "L'Absent" (2014) et la pièce de théâtre "L'Amour de l'art" au théâtre Vidy-Lausanne (Suisse) en 2018.
Sophie Thalmann est également connue pour ses activités humanitaires. Elle est, par exemple, membre du comité français du fonds mondial pour les victimes de mineurs (en), une organisation à but non lucratif qui aide les personnes touchées par la contamination aux mines antipersonnel.
Enfin, Sophie Thalmann est l'épouse de l'acteur français Claude Brasseur et mère de trois enfants.