Sophia Rosa Bartolai est née le 6 février 2001 à Chicago, dans l'Illinois. Sa mère, Hilary (Shaf), est également née à Chicago et a des origines allemandes, roumaines et lituaniennes. Le père de Sophia, Enrico Bartolai, est d'origine italienne, de première génération (né à Chicago, dans l'Illinois). Sophia est le plus jeune enfant de la famille, elle a un frère. Sophia a fréquenté le lycée de Highland Park à Highland Park, dans l'Illinois, avant d'entrer au College du comté de Lake dans le comté de Lake, dans l'Illinois.

L'intérêt de Sophia pour l'industrie du divertissement a commencé dès son plus jeune âge avec des représentations dans le théâtre scolaire et à Nashville, dans le Tennessee. Outre le jeu d'acteur, Sophia est multi-instrumentiste (guitare, piano, ukulélé), chanteuse et auteure-compositrice. À l'âge de 17 ans, Sophia s'est intéressée au mannequinat et a signé un contrat urgent avec Mac Duggal, créateur de robes international.

Sophia a suivi des cours et des masterclasses de théâtre dès son plus jeune âge dans des compagnies telles que Piven Theatre et Improv Playhouse. Sophia a été louée par de nombreux professeurs pour ses talents d'improvisation et ses capacités d'actrice.