Отец Миры Сорвино — американский актёр Пол Сорвино. В Гарвардском университете Мира Сорвино изучала синологию, её дипломная работа была посвящена расовым конфликтам в Китае 1989 года.

По окончании колледжа Мира прожила три года в Нью-Йорке. Как и многие другие молодые актёры, в ожидании ролей она бралась за любую работу.

На фильм «Среди друзей» (1993) Мира была принята на работу в качестве третьего ассистента режиссёра. Однако вскоре её повысили до помощника директора картины, а потом предложили и главную роль.

После нескольких незначительных ролей в фильмах «Телевикторина» и «Барселона» в 1995 году она получила признание критиков за роль проститутки Линды Эш в фильме Вуди Аллена «Великая Афродита», которая принесла ей премии «Оскар» и «Золотой глобус» как лучшей актрисе второго плана.

В 1996 году Сорвино вошла в список 50 самых красивых людей, составленный журналом «People». Она также снялась в фильме «Роми и Мишель на встрече выпускников» (1997), который имел скромный успех в прокате, а также сыграла роль Мерелин Монро в HBO телефильме «Норма Джин и Мэрилин».

В последующие годы Сорвино снималась в независимых и низкобюджетных фильмах. В 2005 году она снялась в телефильме канала Lifetime «Живой товар», за который была номинирована на «Золотой глобус».

Из последних проектов Сорвино были заметными роли в мини-сериале «Ленинград» и фильме «Многократные сарказмы».

С 11 июня 2004 года Мира замужем за актёром Кристофером Бакусом, который на 14 лет младше её. У них есть дочь и два сына. Мира Сорвино владеет китайским и французским языками.