В 1890 році, коли дівчинці виповнилося п'ять років, батьки відправили її з України до родичів у Петербург. З ними Соня побувала у Фінляндії, Італії, Швейцарії, а потім самостійно поїхала навчатися до Німеччини. У 20 років вона переїздить в Париж і проводить багато часу в колі радикальної молоді та в галереях, захоплюється картинами ван Гога, Гогена, Руссо. На один рік вона вступає у фіктивний шлюб, але швидко закохується в молодого абстракціоніста Робера Делоне і пов'язує з ним свою долю.

«Він дав мені форму, я дала йому колір», — говорила Делоне. Подружжя створило новий напрям мистецтва — симультанізм, або орфізм. Динаміка, «танцюючі» візерунки, взаємопроникнення кольорів та форм стали їхньою візитною карткою. Полотна Соні з концентричними колами передавали сучасне наелектризоване життя у місті і вплинули на становлення відомого авангардиста Пауля Клеє. Художниця зосередилася не лише на живописі, а й на прикладному мистецтві.

Її творчість ніколи не була відірвана від життя. Делоне розробляла концептуальні малюнки для тканин, декорувала автомобілі, робила книжкові ілюстрації та плакати, відкрила магазин власного одягу та предметів декору. Художній керівник славетної балетної трупи Сергій Дягілєв замовляв художниці декорації та костюми до своїх постановок. Делоне однією з перших поєднала моду та мистецтво. Одяг бренду Delaunay легко впізнавали на вулицях завдяки абстрактним малюнкам та яскравим поєднанням кольорів. В 1925 році одна з суконь потрапила на обкладинку журналу Vogue.

В середині ХХ століття Соня була на піку кар'єри, але офіційне визнання прийшло до неї наприкінці життя. В 1970-х роках її творчість починають розглядати окремо від спадку Робера Делоне. Їй присвячують виставки по всьому світу, нагороджують орденом Почесного легіону, модельєри домів Missoni та Salvatore Ferragamo «цитують» її роботи у своїх вбраннях — твори Соні заслужено визнають чимось більшим за шедеври ужиткового мистецтва.