София Роза Бартолай родилась 6 февраля 2001 года в Чикаго, штат Иллинойс. Её мать, Хилари (Шаф), также родилась в Чикаго и имеет немецкие, румынские и литовские корни. Отец Софии, Энрико Бартолай, итальянского происхождения, первого поколения (родился в Чикаго, штат Иллинойс). София — младший ребёнок в семье, у неё есть брат. София училась в средней школе Хайленд-Парка в Хайленд-Парке, штат Иллинойс, прежде чем поступить в Колледж округа Лейк в округе Лейк, штат Иллинойс.

Интерес Софии к индустрии развлечений начался в раннем возрасте с выступлений в школьном театре и в Нашвилле, штат Теннесси. Помимо актёрской игры, София — мультиинструменталист (гитара, фортепиано, укулеле), вокалистка и автор песен. В возрасте 17 лет София заинтересовалась моделированием и подписала срочный контракт с Mac Duggal, международным дизайнером платьев.

София с юных лет посещала актёрские классы и мастер-классы в таких компаниях, как Piven Theatre и Improv Playhouse. Софию хвалили многочисленные преподаватели за её навыки импровизации и актёрские способности.