Sophia Rosa Bartolai nació el 6 de febrero de 2001 en Chicago, Illinois. Su madre, Hilary (Shaf), también nació en Chicago y es de ascendencia alemana, rumana y lituana. El padre de Sophia, Enrico Bartolai, es de origen italiano, de primera generación (nacido en Chicago, Illinois). Sophia es la hija menor, con un hermano. Sophia se educó en Highland Park High School en Highland Park, Illinois, antes de asistir a College of Lake County en Lake County, Illinois.

El interés de Sophia por la industria del entretenimiento comenzó a una edad temprana con actuaciones en teatro escolar y en Nashville, Tennessee. Además de ser actriz, Sophia es multiinstrumentista (guitarra, piano, ukelele), vocalista y compositora. A los 17 años, Sophia se interesó por el modelaje y firmó un contrato de plazo fijo con Mac Duggal, un diseñador internacional de vestidos.

Sophia ha tomado clases y talleres de actuación desde una edad temprana con compañías como Piven Theatre e Improv Playhouse. Sophia ha sido elogiada por numerosos instructores por sus habilidades de improvisación y actuación.