Im Alter von 17 Jahren beobachteten sie mit ihrem Bruder gemeinsam eine Mondfinsternis. Nachdem Sophie 1588 mit 32 Jahren verwitwet war, verbrachte sie sehr viel Zeit auf der Insel Ven im Öresund, wo Tycho Brahe arbeitete.
In der wissenschaftlichen Umgebung dort blühte sie auf und nannte sich Urania, nach der Muse der Astronomie. Jahrelang führte Sophie Beobachtungen durch und analysierte Daten. Auf Ven lernte sie auch ihren zweiten Mann kennen, Erik Lange, einen Assistenten ihres Bruders.
Sophie und Tycho Brahe verband nicht nur die Astronomie, sondern auch die Ablehnung durch ihre Familie, die eine Forschungstätigkeit nicht für standesgemäß hielt. Nach Tychos Tod 1601 war Sophie völlig verarmt und lebte einige Zeit in Eckernförde.
Nach dem Tod ihres Mannes zog sie nach Helsingør. Dort verfasste sie ein umfangreiches Werk über die Frühgeschichte des dänischen Adels. 1643 starb Sophie Brahe im Alter von 87 Jahren.
Ihre Todesstadt hat vor einiger Zeit die Sophiestraße in Sophie Brahe-Straße umbenannt. Und seit 15 Jahren gibt es in Berlin-Treptow eine Sophie-Brahe-Schule, für eine astronomische Namenspatronin passend ganz nah der Archenhold-Sternwarte.