Sophie Frederike Mathilde von Württemberg werd geboren op 17 juni 1818 in Stuttgart als de dochter van koning Willem I van Württemberg. Haar moeder was Catharina Paulowna van Rusland, dochter van Tsaar Paul I. Ze overleed zeven maanden na de geboorte van Sophie, volgens de overlevering had ze de week ervoor haar man betrapt met een ander en was het koude winterweer in gevlucht. Officieel overleed ze aan een aangezichtsaandoening, versneld door een beroerte. Catharina werd 30 jaar oud. Sophie en haar oudere zus Marie werden door hun tante Catharina opgevoed. Deze tante was getrouwd met Jerôme Bonaparte, de jongste broer van keizer Napoleon.
Sophie was een gewilde partij, verschillende edellieden dongen naar haar hand. Haar vader wilde haar koppelen aan Willem (III), de toekomstige koning der Nederlanden. Sophie was niet enthousiast en vroeg bedenktijd. Uiteindelijk besloot ze hem te accepteren en kwam er een officieel huwelijksaanzoek van Willem’s vader, gericht aan Sophie’s vader. Sophie en Willem waren volle neef en nicht, hun moeders waren zussen. Willems moeder was Anna Paulowna van Rusland, dochter van Tsaar Paul I. Anna Paulowna was sterk tegen het huwelijk gekant, ze vond het incest en mocht Sophie bovendien niet. Ze behandelde haar met minachting en toen Sophie koningin werd, deed ze hetzelfde met haar schoonmoeder.
Het stel trouwde op 18 juni 1839, een dag na Sophie’s 21ste verjaardag, in Stuttgart. Ze vestigden zich in Den Haag, in het Paleis op het Plein. Ze waren erg ongelukkig, vooral door Willem’s openbare buitenechtelijke affaires. Op 4 september 1840 werd hun eerste zoon geboren, Willem. Sophie was een intelligente vrouw en Willem stond niet als bijster slim te boek. Intellectueel was zij hem ver vooruit en in 1842 wilde ze al apart gaan wonen van haar man. Ze diende een verzoek hiertoe in bij haar schoonvader, maar dit werd niet gehonoreerd. Ze moest bij haar man blijven. In 1843 werd hun tweede zoon geboren, Maurits.
In 1849 overleed Willem II en werd Willem koning. Het echtpaar verhuisde naar paleis Noordeinde, waar Sophie zich iets prettiger voelde. Het jaar erop overleed Maurits op 6-jarige leeftijd, vermoedelijk aan hersenvliesontsteking. In augustus 1851 beviel Sophie van haar derde zoon, Alexander, maar ze wilde ook van haar man af. Die gaf in hetzelfde jaar opdracht de mogelijkheden hiertoe te onderzoeken. Het leidde in 1855 tot een scheiding van tafel en bed. Sophie omschrijft haar man als een geestelijk gestoord mens. ’s Zomers verbleef Sophie in Huis ten Bosch, maar ’s winters woonde ze in Noordeinde, net als Willem, waar ze strikt gescheiden van elkaar leefden.
In 1869 bezoekt ze het kinderziekenhuis in Rotterdam en doet een donatie, waarna het ziekenhuis zich vanaf 1870 het Sophia kinderziekenhuis noemt. Sophie correspondeerde met hooggeplaatste personen en publiceerde zelf ook artikelen. Ze overleed vlak voor haar 59ste verjaardag in 1877. Ze werd niet gebalsemd en in haar trouwjurk gehuld. Dat was haar wens omdat, zoals ze zei: haar leven al was geëindigd op haar trouwdag. Ze is bijgezet in de grafkelder van de Oranjes in de Nieuwe Kerk te Delft.
Sophie overleed in de wetenschap dat ze twee levende zoons had die koning zouden kunnen worden. Echter, het lot besliste anders. Oudste zoon Willem overleed ongetrouwd op 38-jarige leeftijd in 1879 aan een longontsteking. Willem had tijdens zijn leven grote problemen met zijn vader en leefde in een zelf verkozen ballingschap in Parijs. Ook de jonste zoon, Alexander stierf ongehuwd, op 32-jarige leeftijd in 1884 aan tyfus. Hij was na het overlijden van zijn moeder en broer min of meer ingestort. Op het moment van zijn dood was zijn vader met zijn nieuwe vrouw en dochter (Wilhelmina) op vakantie in Duitsland en Zwitserland en had geen zin om zijn reis te onderbreken. Hierdoor werd Alexander pas een maand later bijgezet in de grafkelder. Van Alexander wordt gezegd dat hij wellicht geestesziek zou zijn geweest.