Фамилия Софья — редкий случай, когда в основе лежит не прозвище, не профессия и не географическое название, а полное женское имя. Обычно русские фамилии образуются от мужских имён или прозвищ, но здесь мы имеем дело с матримониальной моделью: фамилию могли дать по матери.

По сути, это нефамильная форма: носитель просто назван по имени Софья. В русской традиции фамилии на -а/-я в чистом виде (без суффикса -ов/-ин) встречаются редко и часто указывают на украинское, белорусское или южнорусское происхождение. В этих регионах фамилии могли фиксироваться без патронимического суффикса: Софья, Наталья, Марья. Другая версия — фамилия могла возникнуть как усечённая форма от Софьин или Софьев, когда при переписи потеряли суффикс, но такие случаи единичны.

Имя Софья (греч. σοφία — «мудрость») пришло на Русь с христианством и было популярно в дворянской и купеческой среде. Однако фамилия Софья не дворянская: знатные роды носили формы Софьины, Софьевы. Простая фамилия Софья могла принадлежать крестьянину или мещанину, которого в документах записали по имени матери — вдовы или одинокой женщины, главы семьи. В говорах встречалось и прозвище Софья для мужчины — так могли назвать рассудительного или «мудрого» человека, но это скорее исключение.

Географически фамилия тяготеет к западным и южным губерниям Российской империи. В центральной России она почти не встречается — там преобладают патронимические формы. Сегодня Софья остаётся одной из самых редких русских фамилий: по переписям, её носят буквально единицы, и часто это потомки тех, кто получил фамилию при советской паспортизации по упрощённой схеме.

Сравните с однокоренными: Софьин (суффикс -ин, принадлежность отцу или мужу), Софийский (семинарская фамилия, от Софийского собора), Софронов (от мужского имени Софрон). Фамилия Софья стоит особняком — она как бы застыла в именительном падеже, без грамматического оформления родства. Это и делает её неудобной для этимологов: неясно, считать ли её русской, украинской или искусственной канцелярской записью.