Gråbøl voksede op i et venstreorienteret miljø i et kollektiv på Frederiksberg, som søster til instruktøren Niels Gråbøl. Hun gik på flere forskellige skoler, blandt andet den kristne Johannesskolen. Hun har ingen gymnasieuddannelse. I sine tidlige 20'er var Sofie Gråbøl interesseret i teologi, og hun fulgte en forelæsningsrække et enkelt semester på Teologisk Fakultet om Frans af Assisi. Hun har dog aldrig været medlem af Folkekirken og hun blev først døbt i sine sene 30'er da hun skulle være gudmor. Gråbøl har ingen egentlig skuespilleruddannelse bag sig. Hun søgte forgæves optagelse på Statens Teaterskole.  Karriere Sofie Gråbøls første rolle som skuespiller var en birolle i den internationale film, Oviri fra 1986, hvor hun spillede over for Donald Sutherland. Hendes mor havde foreslået, at hun søgte rollen. Ifølge Berlingske kom hendes birolle til at blive "central for hele filmen takket være hendes naturtalent." Hendes gennembrud i en større rolle kom med hovedrollen i filmatiseringen af Tove Ditlevsens roman Barndommens gade fra 1986. Omkring 2000 spillede hun markante biroller i flere populære filmkomedier: Først dogmefilmen Mifunes sidste sang fra 1999 og samme år i Susanne Biers Den eneste ene, hvor Gråbøl spillede i polstret kostume som den tykke Mulle. Året efter spillede hun i Blinkende Lygter hvor hun overfor Søren Pilmark stod for den værdsatte "puste æg"-scene. Gråbøl fungerede som nudansk sproglærer for den ellers engelsk-talende danske skuespiller Connie Nielsen, da Nielsen skulle spille i Susanne Biers Brødre. I midten af 2000'erne havde hun centrale filmroller i to alvorlige familiedramaer der havde udgangspunkt i emnerne forældres tab af deres datter og incestanklage, henholdsvis Lad de små børn fra 2004 og Anklaget fra 2005, begge med manuskript af Kim Fupz Aakeson. På tv har Gråbøl medvirket i flere populære DR tv-serier, først Taxa. Senere spillede hun den gennemgående titelrolle i skilsmissedramaet Nikolaj og Julie. Stor succes fik hun for sin ikoniske portrættering af kriminalkommisær Sarah Lund i DRs scandinoir-thrilleren Forbrydelsen. Tv-serien gik over tre sæsoner, og Sofie Gråbøls rolle blev sammenlignet med en anden stor dansk kvinderolle: Malene Schwartz's Maude Varnæs.Forbrydelsen blev solgt til mange lande, og er som en af de første skandinaviske tv-serier også blevet sendt på den britiske kanal BBC4. Det medførte, at både tv-serien og Sarah Lund-rollen fik kultstatus. Gråbøl måtte således give adskillige interviews til britiske medier og befandt sig på forsiden af tidsskiftet Radio Times i 2012. Gråbøls første film efter Forbrydelsens afslutning var Søren Kragh-Jacobsens I lossens time baseret på Per Olov Enquists teaterstykke.  Teater Udover tv- og filmarbejde har Gråbøl haft adskillige teaterroller, blandt andet i Lars Kaalunds gyser I en kælder på Dr. Dante og i August Strindbergs Et drømmespil hvor hun ifølge Berlingske gav en "[fysisk] og sjæleligt lysende kraftpræstation". Hun har også haft roller i Line Knutzons Snart kommer tiden og Håndværkerne samt Shakespeares Othello og Vintereventyret.  Internationalt Gråbøls succes med Sarah Lund fik hende engageret i flere engelsksprogede produktioner. Først i en gæsterolle i den britiske sitcom Helt hysterisk (Absolutely Fabulous) i 2011 og derefter i den skotske teaterforestilling James lll der havde premiere under Edinburgh Internationale Festival i 2014. I dette historiske drama om Jakob 3. af Skotland, hvor hun spillede rollen som kongens ægtefælle Margrete af Danmark, modtog hun ros: Gråbøl var ifølge The Independent "vidunderlig som den dolke-skarpe danske dronning, doing the sums behind the scenes, stage-managing the sexually incontinent Sives," mens hun "ejede scenen som en 1400-tals Angela Merkel"; for Guardian var hun "every bit as compelling a stage actor as her TV appearance in The Killing suggested." Gråbøl modtog i januar 2015 endnu engang britisk eksponering, da i Sky Atlantics stort anlagt thriller tv-serie Fortitude hvor hun spiller en central rolle som borgmesteren Hildur Odegard. I deres anmeldelse af første afsnit skrev Forbes at "Gråbøl tager styrken af Forbrydelsens Sarah Lund og kraften i Borgens Birgitte Nyborg, og kombinerer dem i en præsentation, der er resolut, virkningsfuld og bare en lille smule skræmmende — men lige under overfladen, er der en feminin sårbarhed, som sikkert vil kollidere med Odegards ambitioner som serien skrider frem." I 2019 vil Gråbøl være at se i den britisk-amerikanske tv-serie Gentleman Jack på streamingtjenesten HBO Nordic. I tv-serien spiller hun Dronning Marie af Danmark.  Andet Derudover Ridderkorset. 2018: Nordens sprogpris