Nacida en Stuttgart, era la menor de los doce hijos nacidos del matrimonio del duque Cristóbal de Wurtemberg y de su esposa, Ana María de Brandeburgo-Ansbach.
De los once hermanos mayores, nueve alcanzaron la edad adulta: Everardo, príncipe heredero de Wurtemberg; Eduviges (por matrimonio landgravina de Hesse-Marburgo); Isabel (por sus dos matrimonios condesa de Henneberg-Schleusingen y condesa palatina de Veldenz-Lauterecken); Sabina (por matrimonio landgravina de Hesse-Kassel); Emilia (por matrimonio condesa palatina de Simmern-Sponheim); Leonor (por sus dos matrimonios princesa de Anhalt y landgravina de Hesse-Darmstadt); Luis III, duque de Wurtemberg; Dorotea María (por matrimonio condesa palatina de Sulzbach); y Ana (por sus dos matrimonios duquesa de Oława y Legnica).
En Weimar, el 5 de mayo de 1583, Sofía contrajo matrimonio con el duque Federico Guillermo I de Sajonia-Weimar.
Tuvieron seis hijos, de los cuales solo dos alcanzaron la madurez:[1] Sofía murió en Vacha a la edad de 26 años, debido a complicaciones de su último parto.
Fue enterrada en la Iglesia de la Ciudad de San Pedro y Pablo (Stadtkirche St.Peter und Paul), en Weimar.