Mira Katherine Sorvino lahir pada 28 September 1967 di Manhattan. Dia merupakan putri dari Lorraine Davis, aktris yang beralih menjadi terapis drama, dan aktor karakter veteran Paul Sorvino. Keluarga ayahnya bermigrasi dari Italia. Sejak kecil, Mira adalah pribadi cerdas, suka membaca, dan berprestasi sebagai pelajar terbaik. Ayahnya melarangnya menjadi aktor karena khawatir industri hiburan terlalu keras baginya.

Dia menempuh pendidikan di Harvard, jurusan Chinese language, dan lulusan magna cum laude pada tahun 1989. Tulisan tesisnya tentang konflik rasial di Tiongkok memperoleh penghargaan Hoopes Prize, dan selama di Beijing, ia menguasai bahasa Mandarin dengan lancar. Meskipun akademik, Mira menunjukkan minat besar pada akting sejak usia dini.

Untuk mengejar mimpi, Mira pindah ke New York, mencoba peruntungan di industri film, bekerja sebagai pelayan, mengikuti audisi, dan bergabung dengan perusahaan produksi Tribeca milik Robert De Niro. Di awal 1990-an, ia mulai mendapatkan pekerjaan televisi, kemudian debut film di Amongst Friends (1993), di mana ia juga menjadi produser asosiasi dan pemeran utama.

Penampilannya di film indie ini menarik perhatian, sehingga dia mendapatkan peran di film lain seperti Barcelona (1994) dan Quiz Show (1994). Prestasinya semakin meningkat dan akhirnya ia memperoleh peran penting dalam film Woody Allen, Mighty Aphrodite (1995). Penampilannya yang memukau membuatnya meraih Oscar untuk Best Supporting Actress pada umur 29 tahun.

Setelah kemenangan tersebut, Mira terus berperan di berbagai genre, termasuk peran sebagai Marilyn Monroe di Norma Jean & Marilyn (1996). Ia juga bermain dalam film aksi dan horor seperti Mimic (1997) dan The Replacement Killers (1998). Popularitasnya melambung lewat perannya sebagai Romy dalam Romy and Michele's High School Reunion (1997), yang menampilkan sisi lucu dan jenaka.

Pada 11 Juni 2004, Mira menikah dengan Christopher Backus, dan mereka dikaruniai empat anak. Hingga saat ini, ia tetap aktif dan dikenal luas sebagai aktris berbakat dan cerdas.