Софья была шестой из шестнадцати детей своего плодовитого отца. Маленькая царевна с юных лет отличалась любознательностью. По её настоятельным требованиям ей выделили персонального учителя. По счастью, им оказался русский ученый и первый профессиональный поэт Симеон Полоцкий. Под его руководством Софья овладела грамотой, иностранными языками (греческим и латынью), начала интересоваться историей.
До 19 лет Софья отличалась от сестер разве что эрудицией и грамотностью. Всё изменилось в 1676 году, когда Алексей Михайлович умер и престол перешел к его старшему сыну, слабому здоровьем Фёдору Алексеевичу. Под предлогом необходимости ухаживать за больным братом Софья прорвалась в царские покои. Все понимали, что правление Фёдора будет недолгим, и за дверями царской опочивальни полыхала борьба за будущую власть между сторонниками Милославских, родни Фёдора с Софьей и Нарышкиных, родственников маленького, но здорового царевича Петра.
Наиболее тесный контакт установился у неё с князем Василием Голицыным, который при Фёдоре заведовал ключевым пушкарским приказом. Интерес к Голицыну Софья испытывала не только заговорщицкий — она без памяти влюбилась в статного красавца.
Сама царевна красотой не блистала. Прижизненных портретов её не сохранилось, но описания современников весьма выразительны. Вот мнение французского посланника при русском дворе Фуа де ла Нёвилля: «Она ужасно толстая, у нее голова размером с горшок, волосы на лице, волчанка на ногах, и насколько её стан широк, короток и груб, настолько ум тонок, остёр и политичен».
Именно ум Софьи, высоко оцененный французским дипломатом, сыграл главную роль в бурных событиях 1780-х годов. Стрельцы, услышавшие байки о задушении Нарышкиными царевича Ивана, двинулись к Кремлю. Перепуганная Наталья Кирилловна вывела обоих царевичей на крыльцо, но вояки не унимались. Софья убедила мачеху, которая была всего на 6 лет её старше, выдать стрельцам нескольких Милославских. Прямо на глазах царевичей их родню подняли на пики, а тела изрубили на куски. Перепуганные бояре провозгласили царями и Ивана, и Петра, а регентшей до их совершеннолетия — Софью.
Симеон Полоцкий открыл в Москве Славяно-греко-латинскую академию, а Софья собиралась учредить учебное заведение для девочек. В 1686 году был заключен выгодный для России «Вечный мир» с Польшей.
Наметились положительные сдвиги и в личной жизни царевны. По случайному совпадению, как только она стала первым лицом в государстве, Василий Голицын воспылал к этому лицу ответными чувствами. Их связь почти не скрывалась.
Народ посматривал на это распутство с неодобрением. Женщина во главе государства и так была чем-то неслыханным, а тут еще такое блудодейство на глазах у всех.
Официально власть царевны должна была кончиться в день 17-летия Петра. К тому времени он уже женился и считался взрослым. Начальник стрелецкого приказа Фёдор Шакловитый даже предлагал убить Петра и всех его родственников. К таким крайним мерам Софья была не готова, но от решительности главного стрельца её сердце таяло.
Новый царевнин фаворит не сильно скрывал своих планов по устранению конкурента Софьи. Несколько устрашившихся такого преступления стрельцов донесли о нём Петру. Перепугавшийся 17-летний царь в одной рубашке вскочил на коня и умчался под охрану стен Троице-Сергиевой лавры. 8 августа 1689 года началось противостояние. Знать гадала, чьей стороны держаться: Софьиной или Петровской. Потихоньку из Москвы в лавру потекли первые перебежчики. Их становилось все больше и больше.
Одним из первых распоряжений получившего полную власть Петра была ссылка сестры в Святодуховский монастырь в Путивле. Там она пробыла недолго. Вскоре её перевели в московский Новодевичий монастырь, где содержали под стражей.
В 1698 году, когда Пётр находился в заграничном посольстве, стрельцы подняли бунт. Они требовали провозгласить Софью полновластной царицей взамен «подмененного немцами» Петра. Мятеж быстро подавили, казнив нескольких зачинщиков. Массовые репрессии развернул примчавшийся из-за границы Пётр.
После подавления бунта режим содержания бывшей царевны резко ужесточили. Её насильно постригли в монахини под именем Сусанны. О последних шести годах жизни инокини Сусанны почти ничего не известно. Она скончалась в монастыре 3 июля 1704 года и была похоронена там же.