Figlia del musicista jazz algerino Safy Boutella, Sofia Boutella studia danza classica dall'età di 5 anni, fino al 1992, anno in cui lascia l'Algeria con la sua famiglia per trasferirsi in Francia, dove inizia a praticare ginnastica ritmica. A 18 anni fa parte della squadra nazionale olimpica.
Contemporaneamente studia danza hip hop, e partecipa ad alcuni spot pubblicitari e film. Viene notata da Madonna, che le offre di apparire in alcuni suoi video e di esibirsi al Confession Tour. La sua consacrazione artistica arriva grazie alla partecipazione allo spot di Nike Women del 2005, a cui segue la campagna pubblicitaria per l'automobile Mazda 2. Si è esibita anche durante i concerti di Jamiroquai e Rihanna. Nel 2011 è la protagonista del video musicale "Hollywood Tonight", singolo postumo di Michael Jackson, mentre nel 2012 è protagonista del film sul mondo della danza Streetdance 2 3D. Altri ruoli di particolare rilievo saranno quelli come la tagliente antagonista Gazelle in Kingsman - Secret Service (nei cinema italiani nel 2015) e quello di Jaylah, nel tredicesimo capitolo della saga di fantascienza Star Trek, diretto da Justin Lin: Star Trek Beyond. Nel 2017 sarà nel film con Charlize Theron Atomica bionda e ne La mummia di Alex Kurtzman, dove recita accanto a Tom Cruise e Russell Crowe.