Nació el 28 de Septiembre de 1967 en Nueva York, Estados Unidos. Estudió en Harvard donde se licenció «magna cum laude» en estudios de Asia Oriental. Vivió un año en China, durante el cual aprendió a hablar con fluidez el idioma chino-mandarín y además habla francés.
Después de terminar sus estudios universitarios, Sorvino pasó tres años en Nueva York intentando hacerse un nombre como actriz sin ayuda de nadie. Como tantos otros jóvenes actores y actrices, también hizo diversos trabajos mientras esperaba su oportunidad. Cuando en 1993 se inició la preproducción de la película «Amongst Friends», Sorvino fue contratada como tercera ayudante de dirección. Sin embargo, pronto fue promocionada a los puestos de directora de casting y de productora asistente, y finalmente se le ofreció el papel principal femenino de la película.
La interpretación de una prostituta parlanchina y de voz aguda en la película “Poderosa Afrodita” (1995) de Woddy Allen, le mereció reconocimiento y prestigio; con ella, obtuvo el Óscar a mejor actriz de reparto y un Globo de Oro por la misma categoría. Desde entonces ha trabajado de forma continuada en papeles principales y secundarios, en películas de las que algunas tuvieron un considerable éxito comercial, como «Romy y Michelle», coprotagonizada por Lisa Kudrow, y «A Primera Vista», con Val Kilmer.
Actualmente está casada con el actor Christopher Backus, con el que tiene 4 hijos: Mattea Angel, Johnny Christopher King, Holden Paul Terry y Lucia. Hoy para el Festival de Cine Global Dominicano (FCGD), es un honor otorgar el Premio Global a Mira Sorvino en reconocimiento a su trayectoria profesional en el Séptimo Arte.