Mira Katherine Sorvino Manhattanben született, apja az olasz származású Paul Sorvino, aki a Nagymenők című filmben is szerepelt, anyja színésznőből lett drámaterapeuta. A család nem sokkal később a New Jersey állambeli Tenaflyba költözött, Mira itt nőtt fel. Az iskolában kiváló tanuló volt, és már ekkor élénk érdeklődést tanúsított a szociális kérdések iránt. Felsőfokú tanulmányait a Harvard Egyetemen végezte, ösztöndíjasként Pekingben tanult mandarin nyelvet. 1989-ben magna cum laude szerzett diplomát kelet-ázsiai tanulmányokból, nem sokkal később dokumentumfilmet rendezett az oroszországi antiszemitizmusról. Bár apja ellenezte, hogy színészettel foglalkozzon, mégis New Yorkba költözött, hogy szerencsét próbáljon a filmiparban. Volt rendezőasszisztens, szövegíró, első kis szerepét a The Stuff című horrorfilmben kapta, bár a stáblistán nem tüntették fel a nevét. 1992-ben a Swans Crossing nevű sorozatban szerepelt, az áttörést az 1993-as esztendő hozta el, amikor szerepet kapott a Barátok közt és a Zsaru New Yorkban című filmekben, illetve két rövidfilmben. Alakításai nyomán újabb, immár komolyabb lehetőségekkel keresték meg.

1994-ben a Barcelona című romantikus vígjátékban és a Robert Redford által rendezett Kvíz-show-ban tűnt fel. A következő évben a Hozományvadászok című kosztümös minisorozatban, a Tarantella és az Édes kis semmiség filmekben kapott szerepet. Ugyancsak 1995-ben jelentkezett fiatalkori bálványa, Woody Allen Hatalmas Aphrodité című filmjében egy prostituált szerepére, de elutasították, mert nem volt elég „szexi”. Következő találkozásukkor ezért kihívó ruhában jelent meg, és jellegzetes akcentussal köszöntötte a rendezőt, aki azonnal szerződtette. Bár a forgatást Sorvino rémálomként élte meg, alakításáért megkapta a legjobb női mellékszereplőnek járó Oscar- és Golden Globe-díjat. A következő években szinte minden műfajban bizonyította sokoldalúságát, többek közt ő játszotta Marilyn Monroe filmsztár énjét az 1996-os Norma Jean és Marilyn című életrajzi filmben (a hétköznapi Monroe-t Ashley Judd alakította), illetve Romyt a Romy és Michele – Szőkébe nem üt a mennykő című vígjátékban. Kipróbálta magát akció- és horrorfilmekben is, mint a Guillermo del Toro rendezte Mimic – A Júdás faj és a Gyilkosok gyilkosa című mozikban, utóbbi kedvéért harcművészeti órákat is vett.

A kétezres években is foglalkoztatott színésznő maradt, átlagosan évi két-három filmben tűnt fel, mint amilyen A nagy Gatsby című tévéfilm, a 2001-ben bemutatott A szürke zóna, a 2002-es Csajok maffiája vagy A női lélek fájdalmai, melyben Sophia Loren partnere volt. Játszott több sorozatban is, mint például a Will és Grace-ben, a Doktor House-ban, a Psych - Dilis detektívekben, valamint minisorozatokban is (Mit ér egy élet, A Hádész-faktor, Az utolsó templomos lovag). A 2010-es években is számos filmben – Multiple Sarcasm, Újrakezdés, Trade of Innocents – tűnt fel. Utóbbi azért is fontos volt számára, mert egy házaspárról szól, akik gyermekük elvesztése után a gyermekrabszolgaság elleni harcnak szentelik életüket, a színésznő pedig 2009 és 2012 között az ENSZ embercsempészet elleni jószolgálati nagykövete volt. Sorozatokban (Stalker, Éghasadás) is feltűnt, jelenleg is több filmet forgat. A kilencvenes évek végén két évig Quentin Tarantino élettársa volt, a rendező kísérte el arra az Oscar-gálára is, ahol átvehette az aranyszobrocskát. 2004-ben házasságot kötött Christopher Backus színésszel, akitől négy gyermeke született.

A humanitárius ügyek iránt elkötelezett színésznő az Amnesty International több humanitárius akciójában is részt vesz. Érdekesség, hogy a Mimic című film nyomán – amelyben egy genetikailag módosított, halálos rovarfaj ellen küzdő tudóst alakított –, egy vízben élő csíkbogárfaj védekezésként kiválasztott vegyületét mirasorvine-nak nevezték el.