София родилась в Штутгарте, её родителями были король Вюртемберга Вильгельм I и Великая княгиня Екатерина Павловна, дочь императора Павла I. Мать Софии умерла вскоре после её рождения, и девочку воспитывала ее тётя Екатерина Вюртембергская.
Она вышла замуж за принца Оранского (позже короля Виллема III) 18 июня 1839 года в Штутгарте. Потом пара уехала в Нидерланды, там у них родились три сына:
- Виллем Николас Александр (1840—1879),
- Виллем Фредерик Морис (1843—1850),
- Виллем Александр Карл (1851—1884).
Их брак был неудачным. Мать Виллема, Анна Павловна, была против их союза и всячески обижала невестку, которая одновременно приходилась ей племянницей. София просила развода, но ей было отказано. С 1855 года супруги стали жить раздельно. Большую часть времени София проводила в родном Штутгарте.
Принцесса София вела переписку со многими учеными и политиками того времени, поддерживала хорошие отношения с Наполеоном III и королевой Викторией. Она покровительствовала искусствам и занималась благотворительностью. София умерла 3 июня 1877 года в Гааге, похоронена в Делфте.
