Внучка министра юстиции Виктора Панина, а по другой линии – промышленного магната Сергея Мальцова. Племянница французской поэтессы русского происхождения Толы Дориан и последняя из некогда громкого рода Паниных.Через Толу она стала родственницей Александра Сергеевича Пушкина, а также Виктора Гюго.
Графиня Панина родилась в 1871 году. В восемнадцать лет она вышла замуж. Посаженным отцом на свадьбе был император Александр Третий. А спустя несколько месяцев – развод. После неудавшегося замужества решила посвятить себя благотворительной деятельности.

Вместе с одной из столичных учительниц открывает в Петербурге на Лиговке бесплатную столовую для детей рабочих. А затем покупает все там же земельный участок и сооружает Народный дом для городской бедноты. Открытие Лиговского народного дома состоялось в апреле 1903 года. В это же время Софья Владимировна перечислила в фонд строительства Народного дома в Нижнем Новгороде 10.000 рублей золотом.

Февральскую революцию 1917 года в России Софья Владимировна горячо поддержала. Софья Панина становится членом кадетского ЦК. Во Временном правительстве Панина стала первой в истории России женщиной-министром. Она занимала пост товарища министра народного образования. Ее называли «красной графиней».

Арестована 28 ноября 1917 года, как одна из руководителей партии кадетов. Панина отказалась передать большевикам денежные средства министерства народного просвещения — они были помещены ею в иностранный банк и могли быть выданы только «законному режиму».

Ревтрибунал, учитывая её заслуги перед освободительным движением и её человеческие достоинства, ограничился вынесением общественного порицания, обязав внести в кассу Наркомпроса изъятую ранее сумму.

19 декабря освобождена из тюрьмы.

В начале 1918 выехала на Юг России. До весны 1920 пробыла на Дону, активно помогая Белому движению.

С 1920 года в эмиграции — в Чехословакии, затем, после нацистской оккупации — в США.
Умерла в 1954 году. Похоронена на кладбище Успенского женского Новодивеевского монастыря в Нануете, штат Нью-Йорк.