София Михайловна Ротару родилась 7 августа 1947 года в селе Маршинцы Черновицкой области Украины, в семье бригадира виноградарей. Она была второй из шестерых детей. В детстве она помогала матери торговать на рынке, занималась легкой атлетикой. С первого класса она начала петь в школьном хоре, занималась в драмкружке.
В 1962 году к ней пришел первый успех – она победила в районном конкурсе художественной самодеятельности, а на областном смотре художественной самодеятельности в Черновцах в 1963 году она завоевала диплом первой степени. В 1964 году София Ротару стала первой на республиканском фестивале. Увидев ее фото на обложке журнала «Украина» в 1965 году в нее влюбился Анатолий Евдокименко, ее будущий муж.
София Ротару окончила музыкальное училище и в 1968 году была удостоена золотой медали фестиваля молодёжи и студентов в Болгарии. Она стала преподавательницей музыки, вышла замуж.
В 1971 году на «Укртелефильме» София сыграла главную роль в фильме «Червона рута» режиссёра Романа Алексеева. София организовала свой ансамбль «Червона рута» и стала чрезвычайно популярной певицей. В 1973 году в Болгарии на конкурсе «Золотой Орфей» Ротару получила первую премию с песней «Мой город» Евгения Доги и песней на болгарском языке «Птица». В этом же году ей было присвоено звание Заслуженной артистки УССР.
С 1970-х годах песни в исполнении Софии Ротару регулярно становились лауреатами «Песни года»: «Верни мне музыку», «А музыка звучит», «Аист на крыше», «В доме моём», «Танец на Барабане», «Melancolie», «Счастья тебе, земля моя», «Лаванда», «Луна, луна» и другие. Всего в ее репертуаре более 400 песен.
В 1976 году София Ротару стала Народной артисткой Украинской ССР, а в 1983 году – Народной артисткой Молдавской ССР. В 2000 году в Киеве София Ротару была признана «Человеком XX столетия», «Лучшей украинской эстрадной певицей XX столетия», «Золотым голосом Украины».
София Ротару ведёт активную гастрольную деятельность, принимает участие в концертах и телепрограммах.