Мира Кэтрин Сорвино родилась 28 сентября 1967 года в городже Тенафлай, штат Нью-Джерси, США. Ее мать Лоррэйн Рут Дэвис - бывшая актриса, ныне психотерапевт, а отец Пол Сорвино – известный американский актер и режиссер, снявшийся в более чем в ста фильмах, в том числе в «Славных парнях» Мартина Скорсезе.

В детстве Мира Сорвино вместе со своей подругой, тоже впоследствии ставшей актрисой, Хоуп Дэвис придумывала истории и делала по ним постановки. В Гарвардском университете Мира Сорвино изучала синологию, ее дипломная работа была посвящена расовым конфликтам в Китае 1989 года. Во время учебы пела в студенческой вокальной группе.

После университета Мира провела три года в городе Нью-Йорк в поисках актерской работы. В 1993 году она получила работу как третий ассистент режиссера на съемках фильма «Среди друзей». Ей удалось обратить на себя внимание и получить главную роль. Картина участвовала в фестивале независимого кино в Санденсе, положительные отзывы критиков о фильме открыли перед Сорвино двери в мир кино.

В 1994 году она получила небольшую роль в картине Роберта Редфорда «Телевикторина» и сыграла аристократку в «Барселоне». После этого ее пригласили сниматься в телесериале «Путеводный свет». Сыграв в нескольких эпизодах, Мира Сорвино отказалась от трехлетнего контракта. Вместо этого она снялась на телевидении в исторической драме «Красотки Эдит Уортон».

В 1995 году Вуди Аллен пригласил молодую актрису на роль беспечной и доброй проститутки в романтической комедии «Великая Афродита». Эта роль принесла Сорвино премии «Оскар» и «Золотой глобус», а также номинацию на премию Гильдии киноактеров и сделала ее звездой.

После громкого успеха она обратилась к независимому кино и снялась в драмах «Тарантелла» и «Сладкое ничто». В комедии «Красивые девушки» она сыграла страдающую булимией подружку героя Мэтта Диллона. В 1996 году Мира Сорвино была номинирована на «Эмми» и «Золотой глобус» за роль Мэрилин Монро в телевизионной биографической драме «Норма Джин и Мэрилин».

В 1997 году она вновь вернулась к амплуа глупой блондинки в комедии «Роми и Мишель на встрече выпускников». В том же году Гильермо дель Торо пригласил ее на роль энтимолога в научно-фантастический триллер «Мутанты», а через год она сыграла в драме «Где ты, Лулу?». В корейском фильме 1998 года «Уставший умирать» она не побоялась сыграть саму Смерть.

В 1999 году Мира Сорвино вернулась к жанру романтической комедии с фильмом «С первого взгляда», а также появилась в криминальной драме «Кровавое лето Сэма». В 2002 году Мира Сорвино получила роли в фильме о Холокосте «Серая зона» и в криминальной драме «Женская логика». За этим последовали роль в костюмной драме «Боги и генералы» и роль детектива расследующего двойное убийство в «Страстной неделе».

В 2004 году она появилась в футуристическом триллере «Окончательный монтаж». В 2005 году Мира Сорвино сыграла в мини-сериале «Живой товар» о торговле сексуальными рабынями. Эта роль принесла актрисе еще одну номинацию на «Золотой глобус».

В 2007 году Мира предстала в образе американской журналистки Кейт в российском историческом военном мини-сериале режиссера Александра Буравского «Ленинград». Кроме нее участие в съемках также приняли немецкий актер Армин Мюллер-Шталь, ирландец Гэбриел Бирн, а также целая плеяда звезд российского кинематографа, в том числе Ольги Сутуловой, Михаила Ефремова, Александра Абдулова, Владимира Ильина, Юлии Рутберг, Михаила Трухина, Евгения Сидихина и других.

На съемки этого проекта Мира приехала вместе с супругом и грудным ребенком и, увидев свою напарницу Ольгу Сутулову, по-блокадному худенькую и бледную, принялась сбрасывать вес. В итоге из-за строгой диеты у кормящей мамы Сорвино пропало молоко. Тогда режиссер придумал ее розовощекой героине Кейт такое оправдание: «Ты же только что приехала в Ленинград из Америки, потому не успела еще поголодать и дойти до истощения».

В феврале 2008 года она появилась в популярном сериале «Доктор Хаус», сыграв заболевшего во время экспедиции на полюс врача. Эпизод был показан в самое рейтинговое время - сразу после финала американского футбольного кубка. Мира Сорвино призналась, что сама с удовольствием смотрела этот сериал и была рада принять в нем участие.

В 2011 году премьера нового фильма с ее участием, «Юнион Сквер», прошла на Международном кинофестивале в Торонто. В 2012 году актриса сыграла в семейной драме «Смитти» с Питером Фонда, триллере «Невинность на продажу» с Дермотом Малруни, в 2013 году - в приключенческой ленте «Космические воины» с Джошем Лукасом, канадской драме «Школьный проект» с Эбигейл Бреслин и других картинах. В следующие пару лет Мира появилась в сериалах «Ясновидец», «Злоумышленники», «Сталкер», «Рухнувшие небеса», фильмах «Ты веришь?», «Хлоя и Тео», «Дочь Бога».

В 2016 году с участием актрисы вышла лента «День матери», где она снялась в команде с Сэльмой Блэр, Кортни Кокс, Кристиной Риччи, Шэрон Стоун, Люком Митчеллом, Сьюзан Сарандон и другими. В том же году Сорвино работала в ряде независимых картин. Также она получила главные роли в фильмах «На глубине шести футов» и «За стеклом», релизы которых ожидаются в 2017 году.

Весной 2003 года на вечеринке у друзей Мира познакомилась с актером Кристофером Бакусом, в сентябре пара объявила о помолвке. В июне 2004 года они официально поженились в Санта-Барбаре, а венчание состоялось на острове Капри в июле, когда Мира была уже беременна первым ребенком. Сейчас у супругов четверо детей: Мэттеа Энджел Бакус, Джонни Кристофер Кинг Бакус, Холден Пол Терри Бакус и Люсия Бакус.