Sonia Delaunay wurde als Sarah Stern in Gradischsk im Russischen Reich, das heute zur Ukraine gehört, geboren. Sie war das jüngste Kind eines armen jüdischen Ehepaars. Im Alter von fünf Jahren wurde sie von dem Bruder ihrer Mutter, Henri Terk, der als Rechtsanwalt in Sankt Petersburg arbeitete, adoptiert und in Sonia Terk umbenannt. So hatte sie die Möglichkeit, in einem von Musik und Kunst geprägten Umfeld aufzuwachsen und mehrere Sprachen zu lernen. Nach einem Studium in Sankt Petersburg und an mehreren deutschen Kunstakademien, darunter die Kunstakademie Karlsruhe, kam Sonia Terk 1904 nach Paris, wo sie 1908, um der Aufsicht ihrer Familie zu entkommen, in einer Zweckehe den Kunsthändler Wilhelm Uhde heiratete, die er, „pas trop de goût pour les femmes“, ihr auch bieten konnte. Bald darauf lernte sie den Maler Robert Delaunay lieben, den sie nach dem Scheidungsverfahren wegen eines fingierten Ehebruchs Uhdes im November 1910 heiraten konnte, ihr gemeinsamer Sohn Charles wurde im Januar 1911 geboren.
Zu ihren künstlerischen Vorbildern zählen Vincent van Gogh und Paul Gauguin.
Bereits kurz nach ihrer Ankunft in Paris stieg sie zu einer der experimentellsten Künstlerinnen in Paris auf. So arbeitete sie 1913 eng mit dem Schweizer Dichter Blaise Cendrars zusammen, mit dem sie die Idee des Simultanéismus entwickelte. Ein bedeutendes Zeugnis dieser gattungsübergreifenden Zusammenarbeit ist das erste Simultanbuch mit dem Titel Prose du Transsibérien et de la petite Jehanne de France, mit dem sie auf dem Ersten Deutschen Herbstsalon vertreten war, außerdem zeigte sie dort vier Gemälde und zwanzig Bucheinbände.
Ab 1912 entwickelte sie mit ihrem Ehemann Robert Delaunay den sogenannten Orphismus. Hierbei handelt es sich um eine vom Kubismus ausgehende Variante der abstrakten Malerei, bei der vor allem Kreisgebilde mit Simultankontrasten in bunten Farben auf der Grundlage des Farbsystems des Chemikers Eugène Chevreul geschaffen wurden. Ziel des Orphismus war es, der reinen Musik eine reine Malerei entgegenzusetzen. Durch ihre bedeutenden Beiträge zur Entwicklung einer abstrakten Malerei (insbesondere der Geometrischen Abstraktion) wird sie noch heute nicht nur als eine der ersten weiblichen Vertreterinnen, sondern vielmehr als bedeutende Wegbereiterin dieser neuen Kunstrichtung angesehen. Wie Ida Gerhardi, allerdings in der völlig neuen abstrakten Richtung, malte sie Bilder des Tanzlokals Bal Bullier.
Während des Ersten Weltkriegs 1914 bis 1918 hielt sich Sonia Delaunay in Spanien und Portugal auf, seit 1915 im Seebad Vila do Conde. Dort freundete sich das Ehepaar Delaunay mit dem portugiesischen Maler Amadeo de Souza-Cardoso an.
Nach ihrer Rückkehr nach Frankreich blieb sie der abstrakten Stilrichtung treuer als ihr Mann, der 1941 starb. 1942 arbeitete sie in Südfrankreich mit Hans Arp und Sophie Taeuber-Arp zusammen. Die künstlerischen Ideen Sonia Delaunays fanden später auch Anwendung in ihren Designer-Werken der Theaterdekoration und der Kostüme. So stattete sie unter anderem im Jahr 1968 das Ballett Danses Concertantes des russischen Komponisten Igor Fjodorowitsch Strawinski aus. Darüber hinaus fertige Sonia Delaunay-Terk Stoffentwürfe, zum Beispiel für den französischen Schauspieler und Autor Jean Poiret. 1975 wurde sie mit der Mitgliedschaft in der französischen Ehrenlegion ausgezeichnet. 1976 vermachte sie dem Centre Georges Pompidou ihr gesamtes grafisches Werk. Sonia Delaunay-Terk starb am 5. Dezember 1979 in Paris.