Arheoloģija liecina, ka Sofijas vietā jau 8. gadsimtā p.m.ē. bijusi apmetne. 29. gadā romieši ieņēma trāķiešu pilsētu Serdiku (Serdica).

Romiešu laikā Serdika bija Dakijas (Dacia) provinces centrs, bet Diokletiāna un Konstantīna I laikā Iekšzemes Dakijas (Dacia Mediterranea) centrs. 342.—343. gadā (iespējams, līdz 344. gadam) Serdikā notika Serdikas koncils.

441. gadā pilsētu nopostīja huņņi. Bizantijas imperators Justiniāns I pilsētu atjaunoja un nosauca par Triadicu. 809. gadā pilsētu ieņēma bulgāri un pārdēvēja to par Sredecu. 1376. gadā to nosauca par Sofiju (grieķu - gudrība).

1382. gadā Sofiju ieņēma osmaņi un tā kļuva par Osmaņu impērijas provinces Rumēlijas centru. 1443. gadā pilsētu nodedzināja poļu un ungāru karaspēks karaļa Vladislava III Varnieša vadībā. 1878. gadā Sofiju ieņēma krievu karaspēks un 1879. gadā tā kļuva par Bulgārijas galvaspilsētu. Otrā pasaules kara laikā pilsētu ieņēma padomju karaspēks.