Dès 1957, l’actrice part à la conquête d’Hollywood et réalise son souhait de petite fille. Elle tourne aux côtés de John Wayne, William Holden, Frank Sinatra, Trevor Howart, Cary Grant, Clark Gable, Gregory Peck,… sous la houlette de George Cukor, Carol Reed, Melville Shavelson, Martin Ritt ou encore Stanley Donen. Elle devient une star incontournable du 7ème art outre-Atlantique. Une étoile lui est dédiée sur le Walk of Fame d'Hollywood Boulevard à Los Angeles. Pour se refaire un brin de popularité en Europe qui commence à l’oublier, elle rentre au pays. Vittorio De Sica lui offre en 1960, le rôle principal dans son film " La Ciociara " ou " La paysanne aux pieds nus ". Sophia Loren reçoit l’Oscar de la meilleure actrice pour son interprétation d’une jeune veuve, femme du peuple et est également gratifiée du Prix d’interprétation féminine au Festival de Cannes. Elle poursuit sa collaboration avec le même réalisateur pour cinq autres films, tous couronnés de succès dont " Boccace 70 ", " Mariage à l’Italienne " et " Les fleurs du soleil ". Mais c’est en 1977, qu’elle tient son dernier grand rôle dans " Une journée particulière " d’Ettore Scola où elle retrouve son acteur complice de toujours, Marcello Mastroianni.
Dans les années 80, elle connaît moins de succès au cinéma mais tourne pour la télévision. En 1991, elle reçoit un Oscar d’Honneur pour l’ensemble de sa carrière. Trois ans plus tard, le film " Prêt à porter " de Robert Altman lui permet de revoir Marcello Mastroianni. Le duo légendaire du cinéma italien est à nouveau composé. En 2001, son fils Edoardo Ponti la dirige dans " Cœurs inconnus " aux côtés de Gérard Depardieu. On la voix encore en 2009 dans le film " Nine " avec Daniel Day Lewis. Et en 2014, elle signe une autobiographie, " Hier, aujourd’hui et demain ", en référence au film de Vittorio De Sica, " Leri, oggi, domani " sorti en 1963. Dans ce film, la sculpturale comédienne entame un striptease devant Marcello Mastroianni, une scène entrée dans la légende du cinéma italien. A voir ou à revoir.