Sophie Guillemin se fait remarquer en 1998 par le réalisateur Cédric Kahn qui lui offre le rôle principal de son film
L'Ennui. Sa prestation lui vaut une nomination aux César dans la catégorie meilleur espoir féminin.
Trois ans plus tard, elle est à l’affiche du film
Harry Un Ami Qui Vous Veut Du Bien où elle joue la petite amie de Sergi Lopez avec tant de justesse qu’elle est pour la deuxième fois nominée aux Césars, toujours en tant que meilleur espoir féminin.
Sophie Guillemin tourne ensuite dans des comédies comme
Du Côté Des Filles et
A La Folie, Pas Du Tout où elle joue Héloïse, la meilleure amie d’Audrey Tautou. Elle s’essaie ensuite au petit écran avec la série TV La Cour Des Grands.
En 2008, elle tourne avec la réalisatrice Sophie Fillieres pour le film Un Chat Un Chat mais également avec Hannelore Cayre pour le long-métrage Commis D'Office. La comédienne partage aussi l'affiche avec Gérard Depardieu dans La Tête En Friche, puis se fait dirigée par Kostia Testut dans Le Silence Des Machines 
