Sophie Cadieux a étudié au Conservatoire d'art dramatique de Montréal de 1998 à 2001.

Elle se fait connaître par ses rôles dans la série jeunesse Watatatow et dans la comédie Rumeurs. Elle est également remarquée dans un rôle épisodique de la série policière Fortier. À cette période, elle a également participé à deux saisons des finales de la Ligue nationale d'improvisation.

En 2004, Sophie Cadieux incarne le seul personnage de la pièce Cette fille-là écrite par la dramaturge canadienne Joan MacLeod et inspirée par le meurtre de Reena Virk survenu à Victoria en 1997. La production remporte un succès critique et populaire appréciable et est reprise en 2006 avant d'être présentée à Paris en 2008.

En 2007, elle tient un rôle important dans la série télévisée Les Lavigueur, la vraie histoire7. Durant quatre saisons, elle est l'actrice principale de la série Lâcher prise qui remporte un grand succès au Québec, rôle pour lequel elle reçoit le prix Gémeaux du « Meilleur premier rôle féminin » en 2020.

En tout, elle a incarné plus de vingt rôles à la télévision et au cinéma en plus d'avoir joué dans plus de vingt pièces de théâtre. Sophie Cadieux a reçu plusieurs distinctions et nominations au Gala des prix Gémeaux et à la Soirée des masques pour la télévision et le théâtre respectivement.