Après des études à l’École Duperré puis à l’École Nationale Supérieure des Arts Décoratifs, Sophie Letourneur réalise son premier court métrage, La Tête dans le vide, en 2004. Suivront Manue Bolonaise et Roc et Canyon, deux moyens métrages dont la notoriété (Quinzaine des Réalisateurs, Rencontres de Brive, Festival Côté Court de Pantin) lui permet de réaliser son premier long métrage, La Vie au ranch, acclamé par la critique lors de sa sortie en salles en 2010. En 2011, elle présente Le Marin masquéau festival de Locarno et en profite pour tourner sur place Les Coquillettes, lequel figure au programme du même festival en 2012 et sort sur les écrans français en mars 2013. L’année suivante, Sophie Letourneur met en scène Lolita Chammah et Benjamin Biolay dans Gaby Baby Doll. En 2019 elle réalise Énorme, avec Marina Foïs et Jonathan Cohen, où elle explore les vicissitudes de la maternité, de la conception jusqu’à l’accouchement. Voyages en Italie est son cinquième long métrage.