Son parcours musical débute dans son village de Bellevaux-Ligneuville, où elle joue de la clarinette dans l'harmonie locale et où elle est membre de la chorale de l'église. C'est seulement à 16 ans qu'elle découvre sa véritable vocation et prend des cours de chant à l'académie régionale. En 1992, elle entre au Conservatoire royal de Liège. Lauréate de la Fondation belge de la vocation en 1997, elle poursuit sa formation à la Guildhall School of Music and Drama de Londres avec Noëlle Barker. Elle participe à quelques Master class et prend des cours privés, notamment avec Dame Elizabeth Schwarzkopf.

Sophie Karthäuser fait ses débuts à la scène dans le rôle de Papagena dans La Flûte enchantée à l'Opéra de Francfort. Elle est, très tôt, remarquée par trois institutions importantes de Belgique : le Festival de Stavelot, l'Orchestre Philharmonique de Liège et le Théâtre Royal de La Monnaie. Si Stavelot l'invite quasiment chaque année entre 1997 et 2005, l'Orchestre Philharmonique de Liège lui permet de chanter, entre autres, la partie de soprano 1 dans la Messe en ut mineur de Mozart aux côtés de Louis Langrée, les Illuminations de Britten avec Armin Jordan et Les Nuits d'été de Berlioz avec Stéphane Denève. Elle intègre l'opéra studio de La Monnaie où elle chante Despina dans Cosi fan tutte, puis se voit confier des rôles plus importants tels qu'Euridice et La ninfa dans l'Orfeo de Monteverdi, Eritea dans Eliogabalo de Cavalli, Hanako dans Hanjo de Hosokawa et Zerlina dans Don Giovanni.

En 2005, elle chante sa première Pamina dans Die Zauberflöte à La Monnaie, sous la direction de René Jacobs. La journaliste Marie-Aude Roux, dans Le Monde dira d'elle qu'elle fut "la reine de la soirée".. Elle chante sa première Susanna dans Le nozze di Figaro en mai 2007 à l'Opéra de Lyon, sous la direction de William Christie et aborde sa première Ilia dans Idomeneo à l'Opéra national du Rhin. L'écrivan et critique André Tubeuf en dira, dans Classica qu' "une grande chanteuse éclot sous nos yeux". Au Théâtre des Champs-Elysées elle chante Tamiri dans Il re pastore et à Berlin elle est Serpetta dans La Finta Giardiniera.