Sophie Fillières se forme à la Fémis à Paris (1986-90), où elle dirige cinq courts métrages, dont L'INSU et le remarqué DES FILLES ET DES CHIENS (1991), avec sa sœur Hélène et Sandrine Kiberlain en copines jouant à choisir leurs préférences. En parallèle, elle devient une scénariste précieuse de premiers longs métrages d'auteurs salués, avec NORD de Xavier Beauvois (1992), OUBLIE-MOI de Noémie Lvovsky (1994) et SOMBRE de Philippe Grandrieux (1998), mais aussi le téléfilm « Emma Zunz », adapté de Borges par Benoît Jacquot (1992), avec Judith Godrèche.
C'est avec cette dernière que Sophie Fillières signe son premier long métrage, la chronique drolatique GRANDE PETITE (1994), où une jeune fille trouve un pistolet et des billets, avec aussi Sophie Fillières et Emmanuel Salinger. Cultivant son univers porté par des héroïnes attachantes et cocasses, poussant les hommes à sortir de leurs retranchements amoureux, et truffé de scènes poilantes et d'un sens aigu du dialogue, elle signe ensuite les épatants AÏE (2000) avec André Dussollier, Hélène Fillières et Emmanuelle Devos, GENTILLE (2005) avec Emmanuelle Devos, Lambert Wilson et Bruno Todeschini, et UN CHAT UN CHAT (2009) avec Chiara Mastroianni, Agathe Bonitzer et Malik Zidi.
Elle continue en parallèle d'écrire pour les autres, avec UN HOMME, UN VRAI d'Arnaud et Jean-Marie Larrieu (2003), apparaît comme actrice dans les courts métrages NULLE PART de Laetitia Masson (1993) et FILLE UNIQUE de Julie Bonan (2006), et signe elle-même les courts NATHALIE MORETTI (2006) et ANTOINE ET SIDONIE (2006) pour l'opération Talents Cannes de l'Adami, ainsi que LA VÉRITÉ ZÉBRÉE (2008) avec sa sœur Hélène.
Longtemps compagne de Pascal Bonitzer, Sophie Fillières est également la mère d'Agathe Bonitzer.
