Sophie Nélisse nasceu em Windsor, Ontário, mas se mudou para Montreal com sua família quando tinha apenas quatro anos.
Ela começou sua carreira aos sete anos em comerciais, então fez sua estréia no cinema aos 10 anos no filme franco-canadense de 2012 Monsieur Lazhar. Por sua atuação no filme, ela ganhou os prêmios Genie e Jutra de Melhor Atriz Coadjuvante. Sophie então desempenhou um papel no longa-metragem de Luc Picard, Esimésac, de 2012, antes de ser convidada a fazer um teste para o papel de uma garota alemã no longa-metragem em inglês The Book Thief. Ela conseguiu o papel e estrelou ao lado de Geoffrey Rush e Emily Watson. Em 2019, ela liderou o thriller sequencial 47 Meters Down: Uncaged (2019).
Quando não está trabalhando, Sophie gosta de aulas de ginástica. A irmã mais nova, Isabelle Nélisse, também é atriz que, entre outros créditos, protagonizou o filme de terror de 2013 Mama.
