Sophie Morel passe sa thèse sous la direction de Gérard Laumon à l'université Paris Sud, elle la soutient en 2005. C’est une spécialiste en géométrie algébrique, théorie des nombres et théorie des représentations. Elle part pour les Etats-Unis l’année suivante car elle bénéficie d'une bourse de «Research fellow » du Clay Mathematics Institute qui lui permet d'aller à l'Institute for Advanced Study à Princeton.

En 2009, venue en tant que « vistor »,  l’université d’Harvard lui propose un poste de "full Professor" au département de Mathématiques, c'est la première fois qu'une telle proposition est faite à une femme !

En 2012, elle est lauréate du prix de l'European Mathematical Society, cette distinction est décernée tous les quatre ans, lors du Congrès européen de mathématiques (ECM) à dix jeunes mathématicien(ne)s âgés de moins de 36 ans. Cette même année, elle quitte l’université d’Harvard pour rejoindre l'université de Princeton où elle enseigne depuis lors.

En 2013, Sophie Morel a reçu le prix AWM-Microsoft Research Prize in Algebra and Number Theory décerné par l’Association for Women in Mathematics (AWM).