Софья Каштанова родилась 6 августа 1987 года в Москве в творческой семье: мать — актриса Алла Каштанова, отец — сценарист Андрей Антонов. После развода родителей жила в Мексике, где освоила испанский язык и латиноамериканскую культуру. Вернувшись в Россию, окончила Школу-студию МХАТ в 2007 году (курс Козака и Брусникина). Дебютировала в сериале «Сыщики» в 2006 году, получила широкую известность благодаря роли Кристины в «Полицейском с Рублёвки» (2016–2021). Также снималась в проектах «Оттепель», «Волчье солнце» и «Курортный роман».
Софья замужем, воспитывает сына, но предпочитает не афишировать личную жизнь. Активна в социальных сетях Instagram, Telegram и VK, где делится творчеством. Увлекается йогой, живописью и изучала философию в Индии.