Sonia Petrone è Professoressa Ordinaria presso l'Università Bocconi nel Dipartimento di Statistica dal 2014, dove ha svolto un ruolo attivo nello sviluppo del dottorato in Statistica, come Vice-Direttrice e Responsabile dei Curricula (2004-2011) e Direttrice (2011-2018). È Direttrice della Bocconi Summer School in Advanced Statistics and Probability dal 2017. Ha ricoperto posizioni presso l'Università di Pavia (1991-1998) e l'Università dell'Insubria (1998-2001) prima di unirsi alla Bocconi nel 2001. Nel corso della sua carriera, ha effettuato numerose visite di ricerca presso varie università negli Stati Uniti, in America Latina, in Europa, in India e in Russia. È stata Presidente della International Society for Bayesian Analysis (ISBA) nel 2014.
I suoi interessi di ricerca si concentrano sull'apprendimento statistico e sulla previsione, sulla teoria e sui metodi bayesiani, sulla non parametrica bayesiana e sull'apprendimento automatico statistico, sui metodi per strutture di dipendenza complesse e modelli a variabili latenti, sui sistemi dinamici ed evolutivi e sui grafici casuali. È autrice di numerosi libri e articoli sui suoi argomenti di interesse, pubblicati su riviste come il Journal of the Royal Statistical Society, il Journal of Statistical Software e Statistics and Computing, tra gli altri. È stata Editrice di Statistical Science (2020-2022) e co-Editrice di Bayesian Analysis (2010-2014). Le è stata conferita una IMS Medallion Lecture nel 2018 e una ISBA Foundational Lecture nel 2016.
Si è laureata in Discipline Economiche e Sociali presso l'Università Bocconi e ha conseguito un Dottorato in Statistica presso l'Università degli Studi di Trento.