Tochter der Johanna Sophie Friederike geb. Gabler (1745-1786) und des herzoglich-sächsischen Obersteuerbuchhalters Gotthelf Heinrich Schubart (1722-1791). Gemeinsam mit der Schwester Henriette erhielt sie eine musische Erziehung und eine Ausbildung in modernen Sprachen. 1787 lernte sie den Jenaer Bibliothekar und späteren Juraprofessor Friedrich Ernst Karl Mereau kennen. Er unterstützte ihre literarischen Interessen und stellte die Verbindung zu Schiller her. In Schillers »Thalia« wurden 1791 erstmals ihre Gedichte veröffentlicht. Schiller beauftragte sie, Texte von Germaine de Staël zu übersetzen. 1793 Heirat mit Merau. In ihrem Jenaer Haus trafen sich Schiller, Jean Paul, Herder, die Brüder Tieck, Fichte, Schelling, die Brüder Schlegel und Dorothea Mendelssohn. 1801 wurde die Ehe geschieden. Danach rege literarische und herausgeberische Tätigkeit, u.a. der Frauenzeitschrift »Kalathiskos«. 1803 heiratete sie den Schriftsteller Clemens Brentano. Nach kurzer Zeit in Marburg und Jena, lebten sie ab 1804 in Heidelberg. Sophie Mereau starb 1806 während der Entbindung gemeinsam mit ihrer kaum geborenen Tochter.
Sophie Mereau war als anerkannte Lyrikerin, Erzählerin, Übersetzerin und Herausgeberin eine der ersten deutschen »Berufsschriftstellerinnen«. Boccaccios »Fiametta« wird bis heute in ihrer Übersetzung veröffentlicht. Ihr Werk verbindet klassische Formen mit romantischem Lebensgefühl. Bereits 1794 in ihrem ersten, noch anonym erschienenen, Roman (»Das Blüthenalter der Empfindung«) trat sie für das Recht der Frau auf freie Liebeswahl und freie Partnerverbindung ein. 1803, in ihrem zweiten Roman (»Amanda und Eduard«) schilderte sie den Befreiungsversuch einer Frau aus der Konvenienzehe.