Родилась в Чистополе (Татарская АССР). В 1954 окончила Казанскую консерваторию по классу фортепиано. В 1954-1959 училась в Московской консерватории у Н. Пейко (композиция); совершенствовалась в аспирантуре у В. Шебалина (1960-1963). До начала 1980-х ее музыка редко звучала в СССР и была почти неизвестна за границей. Мировое признание принес Губайдулиной скрипичный концерт Offertorium, впервые исполненный Г. Кремером в 1981 в Вене. Ее известность укрепилась после 1985, когда она начала выезжать за границу и получать заказы из разных стран. С 1992 Губайдулина живет в Германии.

В 1960-х Губайдуллина писала в серийной технике (кантата «Ночь в Мемфисе», 1968), обращалась к разнообразным новым методам организации звукового материала. В основе большинства ее партитур лежит идея антитезы (что отражено в заглавиях ряда ее произведений: «Шум и тишина», «Светлое и темное», «Сад радости и печали», «Слышу… умолкло…», Pro et contra, «Чёт и нечет», «Два пути [посвящение Марии и Марфе]» и т. д.). Фундаментальное значение для Губайдулиной имеет противопоставление «земного» (развивающегося, материального) и «небесного» (статичного, идеального) начал. Центральный символ, вокруг которого строится весь художественный мир Губайдулиной – распятие, сочетающее в себе вертикаль вечного Божественного смысла и горизонталь реального времени. Образом Креста вдохновлены некоторые из ее лучших опусов, в том числе «In Croce» для виолончели и органа, «Offertorium», «Семь слов» для виолончели, баяна и струнных. В поисках новых средств и форм для передачи религиозно-мистических идей Губайдуллина экспериментирует с нетрадиционными приемами игры, необычными сочетаниями инструментов, математическими структурами (числами Фибоначчи и др.), которые она наделяет глубоким символическим смыслом.

София Губайдулина — лауреат «Музыкального обозрения».

Участник абонемента «Персона – композитор». Ее музыка постоянно звучит в концертах, организованных «МО» в Москве и других городах России.