Nació como Sara Stern en Ucrania, pero de niña se trasladó a San Petersburgo a vivir donde unos tíos adinerados. Luego se cambió de nombre y de país, y como Sonia Delaunay irrumpió en el mundo del arte.
Desde pequeña, y bajo la tutela de sus tíos, Sonia se interesó en el arte y estuvo expuesta al mundo de la cultura y la educación; a los 18 años la enviaron a estudiar pintura a Alemania. Luego de un matrimonio corto y fallido con un amigo, que le permitió trasladarse a París y moverse con mayor libertad, Sonia comenzó a encontrar un estilo propio, influenciado por los coloridos de sus raíces ucranianas, e influido por el mundo artístico francés en ebullición. Se quedó a vivir en Francia.
En 1910 se casó y tuvo un hijo con el también artista Robert Delaunay, quien se convertiría en su dupla creativa. Sonia comenzó a hacer una colcha para su hijo recién nacido, usando la influencia de colores usados en la tradición ucraniana; el resultado fue una mezcla especial de cubos, que los llevó a seguir explorando la contraposición de color y la geometría. Eventualmente, la corriente artística propulsada por Sonia y Robert sería bautizada como Orchismo, donde se juega con la luz y los colores en las figuras geométricas del cubismo.
Los Delaunay estaban de vacaciones en España para el estallido de la Primera Guerra Mundial; decidieron quedarse ahí y luego se trasladaron a Portugal. Cuando la familia de Sonia perdió sus propiedades durante la Revolución Rusa, la artista tuvo que ingeniárselas para conseguir dinero más allá de la pintura, y comenzó a trabajar de costurera, creando maravillosos trajes para montajes de obras de teatro. Eventualmente retornó a París, donde abrió su propia boutique, plasmando en sus diseños el mismo hermoso sentido de color y contraste de sus pinturas.
Sonia se transformó en una de las mujeres más aplaudidas de Francia, creando desde vestuarios para óperas, cine y teatro, a joyas, pinturas y más. En los años 60 donó un centenar de cuadros al Museo de Arte Moderno de París, y en 1964, fue la primera mujer viva en tener su propia retrospectiva en el Louvre.
Siguió trabajando hasta el último de sus días, recibió la Legión de Honor francesa, y escribió su autobiografía, Nous irons jusqu’au soleil, un año antes de morir, como una de las más influyentes artistas de Francia.
