Софья Павлова родилась 22 декабря 1926 в дер. Бабынино Костромской губернии. Брат - Владимир Афиногенович Павлов. В 1952 году окончила ГИТИС им. А.В. Луначарского, руководитель курса А.М. Лобанова, педагог А.А. Гончаров. С 1952 года - актриса Театра имени М.Н. Ермоловой. Театральные работы Софьи Павловой: «Пушкин» - Наталия Николаевна Пушкина; «Бег» - Серафима Владимировна Корзухина; «Прошлым летом в Чулимске» - Анна Васильевна Хороших; «Вечно живые» - Ирина; «Сотворившая чудо» - Анни Сюлливан; «Неравный брак» - Генеральша. В 1969 году актрисе было присвоено почетное звание Заслуженная артистка РСФСР. Широкую известность получила благодаря своим работам в кино. На экране дебютировала в 1957 году в главной роли - Анюты Фокиной - в драме «Коммунист» Юлия Райзмана. Павловой в этой картине повезло быть партнершей актера Евгения Урбанского, который после роли Василия Губанова в фильме «Коммунист» стал звездой советского кинематографа. Софья Павлова сыграла возлюбленную героя Евгения Урбанского.
Значимой стала работа в фильме 1960 года «Впереди - крутой поворот», поставленном режиссёром Ричардом Викторовым. Ее героиня - учительница Ирина Максимовна Кардаш. Фотокарточку ее героини находят на месте ДТП, где погибла женщина. Фото обронил ее возлюбленный, который хотя и не совершал преступления, но сбежал с места аварии, не оказав помощи пострадавшей. Ирина удочерила оставшуюся сиротой девочку, а своего жениха так и не простила.
Заметными стали роли, сыгранные актрисой в фильмах «Сердце не прощает» (Екатерина Топилина), «Живые и мёртвые» и «Возмездие» (Софья Леонидовна Серпилина), «Журналист» (мать Шуры), «Адъютант его превосходительства» (Ксения Сперанская, тётя Юры), «Соль земли» (Анастасия Федоровна Строгова), «Коней на переправе не меняют» (Зина Борисова), «Не могу сказать "прощай"» (Евдокия Семёновна, мать Сергея), «55 градусов ниже нуля» (Мария Дмитриевна).
Дважды была замужем.