Софья Пилявская родилась 4 (17 по новому стилю) мая 1911 года в Красноярске, где находился в ссылке ее отец.
По национальности - полячка.
Отец - Станислав Станиславович Пилявский, польский революционер, член ВКП(б) (бывший член Партии социал-демократов Польши и Литвы), председатель Спецколлегии Верховного суда СССР. Арестован 13 сентября 1937 года, расстрелян 26 ноября 1937 года. Похоронен в Москве на Донском кладбище. Реабилитирован в 1955 году.
Крестили ее в Польше, она получила имя Софья Аделаида Антуанетта. Дома звали Зосей.
В 1931 году окончила драматический класс З.С. Соколовой.
С 1931 года - актриса Московского Художественного театра им. М. Горького (МХАТ). 72 года прослужила на сцене этого театра.
Ученица К.С. Станиславского. Когда в 1937 году арестовали ее отца, ее спас именно Станиславский, отказавшись визировать заявление об уходе из театра, которое актрису в срочном порядке заставили написать в дирекции МХАТа.
С 1948 года начала сниматься в кино, дебютировав в фильме «Сталинградская битва».
Яркой стала роль Христины Падеры, министра продовольствия и лидера Партии националистов в драме «Заговор обречённых» режиссера Михаила Калатозова. За эту работу она была удостоена Сталинской премии второй степени.
Позже сыграла заметные роли в картинах «Серебристая пыль» (Дорис Стил), «В начале века» (Вера Засулич), «На семи ветрах» (Долли Максимовна Петрова), «Всё остаётся людям» (Наталья Дмитриевна Дронова), «Прямая линия» (Зорич), «Анна Каренина» (графиня Вронская), «Живой труп» (Анна Дмитриевна Каренина), «Сибирячка» (Лидия Семёновна Одинцова), «Выстрел в спину» (Клавдия Ивановна).
Самой известной работой актрисы в кино стала роль Алисы Витальевны в музыкальной комедии «Покровские ворота» режиссера Михаила Козакова по одноименной пьесе Леонида Зорина. Фильм рассказывает о Москве и москвичах 1950-х годов.
Героиня Софьи Пилявской - тетя Костика, которого сыграл Олег Меньшиков.
Как рассказывал Михаил Козаков, «Покровские ворота» вышли во многом благодаря Софье Пилявской. Она не только блестяще сыграла свою роль, но когда киношное руководство запретило картину, Софья Станиславовна пошла на прием к главе Гостелерадио СССР Сергею Лапину и смогла спасти фильм.
Личная жизнь Софьи Пилявской:
Муж - актер Николай Дорохин, также играл в МХАТ.
Супруг актрисы имел больное сердце. Первый инфаркт перенес в 33 года. 31 декабря 1953-го они пошли отмечать Новый год к Ольге Книппер-Чеховой. Но на входе в квартиру Николай Дорохин оступился, сильно ударился головой о порог и через несколько часов умер.
Пилявская пережила мужа на 46 лет, замуж больше не выходила. Все эти годы она наряжала елку в ночь с 31 декабря на 1 января и встречала праздник одна.
Долгое время проживала в доме №5/7 по Глинищевскому переулку в Москве.
Софья Пилявская скончалась 21 января 2000 года в Москве. Похоронена на Новодевичьем кладбище (участок № 2) рядом с мужем.