Дочь царя Алексея Михайловича (1629 -1676) от первого брака с Марией Ильиничной Милославской (1625 – 1669). Сестра царя Петра I (сына Алексея Михайловича от второго брака с Натальей Кирилловной Нарышкиной).
Царевна Софья отличалась умом, энергией, честолюбием; получила неплохое образование под руководством Симеона Полоцкого. Она знала латынь и польский язык, сочиняла стихи, пьесы, изучала историю. В мае 1682 года, после смерти царя Фёдора Алексеевича Софья с помощью стрельцов стала регентшей при малолетних братьях-царях Иване и Петре. Вся власть в стране сосредоточилась в руках правительницы Софьи.
Царевна Софья и её сёстры любили Новодевичий монастырь и часто бывали здесь на богомольях. В период правления Софьи Алексеевны (1682 – 1689) складывается архитектурный ансамбль Новодевичьего монастыря. Были построены три церкви, колокольня, трапезная палата, келейные и хозяйственные палаты.
В 1689 году противостояние правительницы и совершеннолетнего царя Петра завершилось её поражением. Царевну Софью обвинили в измене и сослали в Новодевичий монастырь. Позднее, после очередного заговора стрельцов, в 1698 году царевну постригли в монахини с именем Сусанна.
Скончалась Софья Алексеевна 3 июля 1704 года. Похоронена в Смоленском соборе Новодевичьего монастыря.