Fille de l'acteur Paul Sorvino.
Mira Sorvino étudie les langues orientales à l'Université de Harvard. Diplômée en 1990 en mandarin et après un séjour à Pékin, elle retourne aux Etats-Unis où elle travaille comme mannequin, serveuse, lectrice puis assistante de production à Tribeca, la société de production de Robert De Niro. En 1992, Mira Sorvino fait ses débuts à l'écran en jouant dans la série télévisée Swans crossing. L'année suivante, la jeune comédienne figure à l'affiche de Amongst friends, un drame de Rob Weiss dont elle est également directrice de casting et productrice associée.
Après avoir tenu le rôle de Marta Ferrer dans Barcelona (1994) de Whit Stillman, elle interprète l'épouse de Rob Morrow dans Quiz Show de Robert Redford. Ces deux succès critiques lui valent en 1994 le titre de Meilleur Jeune Espoir, décerné par le Motion Picture Bookers Club of America. on interprétation de la prostituée ingénue Linda Ash dans Maudite Aphrodite (1995) de Woody Allen lui vaut un Golden Globe ainsi qu'un Oscar. Dès lors, Mira Sorvino devient l'une des comédiennes les plus sollicitées d'Hollywood. Eclectique, elle alterne les genres cinématographiques. Femme de poigne dans Mimic (1997) de Guillermo Del Toro et dans Un tueur pour cible (1998) d'Antoine Fuqua, elle fait preuve de charme et de romantisme dans Lulu on the Bridge de Paul Auster et dans Premier regard (1999) d'Irwin Winkler.
Abonnée au thriller, Mira Sorvino enchaîne Summer of Sam (1999) de Spike Lee, Semana Santa (2002), dans lequel elle traque à Séville un tueur en série, amateur de tauromachie, et le futuriste Final cut (2004), dans lequel elle prête main forte à Robin Williams.
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