Sofia föddes den 29 oktober 1547 på Stockholms slott som fjärde dotter till Gustav Vasa och Margareta Leijonhufvud.Vid sin halvbror Erik XIV:s kröning deltog också den artonårige hertig Magnus av Sachsen-Lauenburg, son till hertig Franz, brorson till Gustav Vasas första gemål, Katarina av Sachsen-Lauenburg och alltså kusin till den nykrönte kung Erik. Han tjänstgjorde på svensk sida i Nordiska sjuårskriget, blev Eriks dryckesbroder och hans spion mot bröderna, därpå 1566 överbefälhavare vid dansk-norska gränsen.
1566 friade Magnus till den fyra år yngre Sofia och trolovning ägde rum. Två år därefter underskrevs äktenskapskontraktet, varvid den snikne brudgummen tillförsäkrade den vanliga magnifika hemgiften på 100.000 daler jämte rikaste utstyrsel.
Bröllopet firades den 4 juli 1568 i samband med kung Eriks egen vigsel med Karin Månsdotter och hennes kröning till Sveriges drottning. På Stortorget fördelades en helstekt oxe och fontärnerna sprutade vin och öl.
Magnus kunde emellertid inte försörja sin hustru, och därför fick han stanna kvar i kung Eriks tjänst, men övergick efter några veckor till dennes fiender, hertigarna Johan och Karl, och fick till bostäder slotten Vänngarn och Ekolsund.
På Västerås slott, dit Magnus var förlagd som krigsöverste, föddes 1570 hertigparets enda barn, sonen Gustav.
Då hans far, hertig Franz, 1571 avgick i Lauenburg till förmån för sin yngre son Franz, protesterade Magnus, samlade krigsfolk i Nederländerna och anföll och skövlade 1574 den Lauenburgska staden Ratzeburg. För sin makas hemgift värvade han trupper och han lät sälja alla hennes smycken och klenoder.
När Johan III gav honom Sonnenburg på Ösel i förläning, råkade han i strid med danskarna där och blev regelrätt landsvägsrövare. Magnus hade utvecklats till en rå, brutal knekttyp som visade Sofia "okärlighet, spott och skamligt förtal" samt slog henne så att hon blev "huvudsvag".
I Tyskland levde han ett sånt vilt liv att hans bror Franz med kejsarens tillstånd måste spärra in honom på Ratzeburgs slott, där han satt i femton långa år tills han avled 1603.
Johan III tog vård om Sofia och barnet samt överflyttade Magnus förläningar, Lagunda, Håbo och Erlingshudra härader till sin syster. Hennes son Gustav blev en bortskämd lätting, men utvecklades efter en utlandresa så väl att hertig Karl kunde göra honom till slottslov på Kalmar slott - han dog av ett vådaskott i knät 1597.
Sofia levde sedan sparsamt och tillbakadraget på Ekolsund tills hon avled nästan utblottad 17 mars 1611. Begravningen skedde i största enkelhet i Stängnäs domkyrka och hon fick varken minnesvård eller epitafium.
Hon var helsyster till kungarna Johan III och Karl IX.