Sofia Vassilieva est née à Minneapolis, dans le Minnesota, de Larissa, biologiste, et de Vladimir Vassilieva, professeur de physique, tous deux immigrants russes. Elle parle français et russe, joue du piano, monte à cheval et pratique la danse classique. Elle est également végétarienne. Elle est surtout connue pour son rôle d'Eloise dans deux téléfilms (Eloise at the Plaza, Eloise at Christmastime) et pour celui d'Ariel Dubois dans la série Médium, aux côtés de Patricia Arquette, pour lequel elle a été nominée pour un Syfyportal Genre Award en tant que meilleur jeune actrice/acteur.