Родилась 7 августа 1947 г. в селе Маршинцы (Новоселицкий район, Черновицкая область, Украинская ССР; ныне - Украина). Отец - Михаил Федорович Ротарь (1918-2004) - участник Великой Отечественной войны, после ее окончания работал бригадиром виноградарей. Мать - Александра Ивановна Ротарь (1920-1997). Родители носили румынскую фамилию Ротару, однако после присоединения в 1940 г. Северной Буковины к СССР сменили фамилию на украинскую - Ротарь.
С десяти лет пела в школьном хоре, также занималась в драматическом кружке.
В 1962 г. одержала победу в районном конкурсе художественной самодеятельности, в 1963 г. - получила диплом первой степени на областном смотре художественной самодеятельности. В 1964 г. в Киеве стала лауреатом Республиканского фестиваля народных талантов. На протяжении этих лет преимущественно исполняла украинские народные песни.
В 1968 г. окончила дирижерско-хоровое отделение Черновицкого музыкального училища (ныне - Черновицкое училище искусств им. С. Воробкевича), в 1974 г. заочно - Кишиневский государственный институт искусств им. Г. Музическу (Молдавская ССР; ныне - Академия музыки, театра и изобразительных искусств Молдавии).
В конце 1960-х - начале 1970-х гг. преподавала теорию музыки и сольфеджио в Черновицком музыкальном училище.
В 1971 г. был снят короткометражный музыкальный фильм Романа Алексеева "Червона рута", в котором София Ротару, игравшая роль карпатской девушки Оксаны, была основной исполнительницей песен.
После выхода картины, получившей широкий успех, Ротару стала солисткой Черновицкой областной филармонии (1971-1975).
В 1971 г. при Черновицкой филармонии был создан ансамбль "Червона рута", аккомпанировавший выступлениям певицы. Этот год считается началом профессиональной сценической деятельности Ротару.
В 1975-1992 гг. являлась солисткой Крымской филармонии.
В конце 1970-х гг. гастролировала в Югославии, Румынии, ГДР, ФРГ и др.
В 1985 г. была удостоена приза "Золотой диск" Всесоюзной фирмы "Мелодия" за музыкальные альбомы "София Ротару" и "Нежная мелодия", ставшие наиболее продаваемыми пластинками года в СССР.
C 1990-х гг. по н. в. регулярно проводит концерты в России, странах СНГ и дальнего зарубежья.
В 2017 г. выступала в Москве, Баку (Азербайджан) и др.
София Ротару широко известна в качестве эстрадной певицы. Она исполняла песни на музыку композиторов Владимира Ивасюка ("Водограй" и др.), Владимира Матецкого ("Лаванда", "Хуторянка"), Евгения Мартынова ("Баллада о матери", "Лебединая верность"), Арно Бабаджаняна ("Верни мне музыку"), Давида Тухманова ("Аист на крыше", "Вальс"), Александра Зацепина ("Совсем как на Земле") и др.
Репертуар певицы включает свыше 400 песен, она выпустила более двадцати музыкальных альбомов.
Выступала в дуэтах с Яаком Йоалой, Карелом Готтом, Львом Лещенко, Николаем Басковым, Олегом Газмановым, Николаем Расторгуевым и др.
Снималась в художественных фильмах "Где ты, любовь?" (1980, режиссер Валерий Гажиу) и "Душа" (1981, Александр Стефанович), телемюзиклах "Снежная королева" (2003, Максим Паперник), "Безумный день, или женитьба Фигаро" (2003, Семен Горов), "Сорочинская ярмарка" (2004, Семен Горов), "Королевство кривых зеркал" (2007, Александр Игудин) и др.
В 2011 г. была председателем жюри международного конкурса молодых исполнителей "Crimea Music Fest" (Ялта).
Народная артистка СССР (1988).
Герой Украины (2002, "за выдающиеся заслуги перед Украинским государством в развитии искусства, самоотверженный труд на ниве сохранения национальных культурных традиций и приумножения песенного наследия народов Украины").
Удостоена премии Ленинского комсомола (1978).
Награждена орденами "Знак Почета" (1980), Дружбы народов (1985), Почета (2002), княгини Ольги I и III степени (2002, 1999, Украина), "За заслуги" II степени (2007, Украина), Республики (1997, Молдавия).
Почетная гражданка Ялты (1996), Черновцов (1998, Украина), Кишинева (2013, Молдавия).
Лауреат первой премии IX Всемирного фестиваля молодежи и студентов (1968, София, Болгария), первой премии фестиваля "Золотой Орфей" (1973, Солнечный берег, Болгария), второй премии Международного фестиваля песни в Сопоте (1974, Польша), Республиканской комсомольской премии им. Н. Островского (1976, Украинская ССР), российской музыкальной премии "Овация" (2000, 2008), специальной премии президента Белоруссии "Через искусство - к миру и взаимопониманию" (2007).
Вдова. Муж, народный артист Украинской ССР Анатолий Евдокименко, скончался в 2002 г. Сын Руслан Евдокименко (род. 1970) - музыкальный продюсер.