Nació en París en una familia destacada por la nobleza. Su padre, Ambroise-François Germain, maestro orfebre, fue miembro del tercer Estado en el debate constituyente de 1789.
Debido a las revueltas de la Revolución Francesa estaba encerrada en su casa a sus trece años. Pensando que a su familia solo le interesaban la política y el dinero durante la Revolución Francesa, se escondió leyendo los libros de la biblioteca de su padre. Su interés por las matemáticas surgió después de leer "Histoire des mathématiques" de Jean-Baptiste Montucla donde le llamó la atención la historia de Arquímedes la cual le importaron más las matemáticas que su propia muerte. Siguió con el tratado de aritmética de Étienne Bezout y el de cálculo diferencial de A. J. Cousin, para continuar, después de aprender latín sin ninguna ayuda, con las obras de Isaac Newton y de Leonhard Euler.
Aprendió sola., a pesar de la oposición inicial de sus padres y de las dificultades que se le presentaron en la sociedad, adquirió su educación utilizando el nombre falso de Antoine Auguste LeBlanc, para hacerse pasar por un hombre.
Sophie Germain hizo descubrimientos importantes en teoría de números, en física matemática, acústica y elasticidad.
Marie-Sophie Germain nunca se casó, y dependió económicamente durante toda su vida del soporte económico que le brindó su familia. Por ser mujer, no pudo vivir de una carrera profesional como matemática, pero, aun así, trabajó de manera independiente durante toda su vida.
Falleció a los 55 años, debido a un cáncer de mama, en 1831. Pese a que la enfermedad se le había manifestado dos años antes, continuó hasta que dedicó mucho tiempo en su trabajo.