Karlsson gick folkmusiklinjen vid Kungliga Musikhögskolan, och var omkring 1998 medlem av folkmusikgruppen Eter och 1998–2002 medlem av folkmusikgruppen Groupa. 2001 medverkade hon på musikern och kompositören Sofie Livebrants musikaliska projekt Mary's Question. År 2002 kom hennes första soloalbum, Folk Songs. Hon har sedan 2003 medverkat som musiker, sångerska och skådespelerska i ett antal av Peter Oskarsons produktioner vid Folkteatern i Gävleborg och Träteatern i Järvsö, bland annat i MolièresÄktenskapsskolan, i BrechtsGalileo Galilei samt i Trollkarlen från Oz.
Albumet Svarta ballader, som utkom 2005, innehåller tolkningar av Dan Anderssons dikter och rönte stor uppmärksamhet. Sofia Karlsson fick flera utmärkelser för detta album, bland annat en svensk Grammis (2005) samt den danska motsvarigheten till detta pris. Hon medverkade även på den uppmärksammade skivan Jul i folkton (2005). Svarta ballader har sålts i 60 000 exemplar och Jul i folkton i runt 25 000. Båda siffrorna är mycket bra för genren. Julen 2007 medverkade Karlsson på ytterligare en julskiva, Folkjul.
Sofia Karlsson har vidare medverkat på en hyllningsskiva till Olle Adolphson med sångerna ”Nu är det gott att leva” och ”Helga Andersson”. På en samlingsskiva med Rikard Wolff gjorde hon duetten ”Älskar dig”, som låg på Svensktoppen en längre period under 2005. Karlsson ägnade en stor del av 2006 åt turnerande – mellan 2005 och 2007 gjorde hon över 230 konserter.
I april 2007 släpptes hennes tredje album, Visor från vinden, med tolkningar av många olika kompositörer och textförfattare, bland andra Peps Persson, Lars Forssell, Fred Åkerström och Evert Taube. Skivan gick under sin första försäljningsvecka upp på albumlistans andra plats. Efter fjärde veckan sålde skivan guld. Karlsson och hennes band är också väldigt populära i Norge och Danmark.
Sofia Karlsson blev Grammisvinnare även 2007, i kategorin ”Årets folkmusik/visa” med albumet Visor från vinden. Även den danska motsvarigheten till Grammispriset vann Karlsson för samma album. Hon har även 2008 fortsatt med ett flitigt turnerande och drar i regel fulla hus. Sommaren detta år mottog hon det prestigefyllda Dan Andersson-priset.
I mars 2009 utgavs ett nytt album, Söder om kärleken, med enbart eget material så när som på en sång. Men redan i slutet av 2008 släpptes singeln ”Gamla Stan”, som från början var tänkt att vara med på den kommande skivan men låten togs bort. I stället släpptes ”Skärmarbrink” digitalt över radion i februari som albumets första singel. Söder om kärleken är Sofia Karlssons fjärde album. Det gick direkt in på fjärde plats på svenska albumtopplistan.
År 2009 gav Karlsson även ut en EP med titeln Norr om Eden. Hon turnerade runt Sverige under större delen av året, och sålde denna EP endast under liveframträdandena. I december mottog hon det svensknorska Prins Eugens Kulturpris.
2010 – Alla hjärtans dag och Valentine's Day – Två mp3-filer till fri nedladdning från MTA Productions hemsida, svensk och engelsk version av Steve Earle sin sång från 1996
2010 – Le åt det – Frans Haraldsen (Duett med Frans Haraldsen på titellåten)
2010 – From Here to Here – Sofie Livebrant (Duett med Sofie Livebrant: No 950/949 Sunset)