Sonia Vollereaux incarne Constance Mozart au côté de Roman Polanski dans la pièce Amadeus de Peter Shaffer, puis elle donne la réplique à Guy Tréjan et Jean-­Pierre Cassel dans Les Temps difficiles de Bourdet, et à Michel Bouquet dans Le Malade imaginaire.

Pensionnaire de la Comédie-­Française de 1987 à 1989, elle joue ensuite 1000 représentations des Palmes de Monsieur Schutz où elle interprète Marie Curie. Ce rôle lui vaudra deux nominations aux Molières, le Prix Arletty, et le Prix Jean-­Jacques Gautier récompensant une révélation de la scène.

Dans Quelque part dans cette vie et Ma petite fille, mon amour elle a pour partenaire Jacques Dufilho avec lequel elle se lie d'amitié jusqu'à la mort de celui-­ci en 2005.

Elle crée la pièce de Coline Serreau Lapin lapin qui lui vaudra le Molière de la comédienne dans un second rôle.

Elle joue Les Monologues du vagin durant deux ans, avant d'enchaîner avec Lune de miel, avec Pierre Arditi et Évelyne Bouix.

Depuis 2006 elle a signé plusieurs mises en scène. Sonia Vollereaux a également joué pour le cinéma, essentiellement dans des comédies comme Un Indien dans la ville où elle est l'épouse de Patrick Timsit, et dans de nombreux téléfilms (La Façon de le dire), feuilletons ou séries télévisées (Des Grives aux loups, Jalna, Plus belle la vie).