Sophie Dorothee Auguste Luise[2] sinh ngày 25 tháng 10 năm 1759 tại thành phố Stettin thuộc Vương quốc Phổ (hiện thuộc Ba Lan),[3] là con gái lớn nhất trpng số tám người con của Friedrich Eugene xứ Württemberg và Friederike Dorothea Sophia xứ Brandenburg-Schwedt. Sophie Dorothee được đặt theo tên mẹ. Mẹ của Sophie Dorothee là con gái của Sophie Dorothea Marie của Phổ, em gái của Friedrich II của Phổ. Do đó, Sophie Dorothee là cháu gái gọi bác của Friedrich II.[4]

Ngày 7 tháng 7 năm 1769, khi được 10 tuổi, Sophie Dorothee cùng gia đình chuyển đến một tòa lâu đài do tổ tiên để lại gần Montbéliard, vốn là một địa phận độc lập của Công quốc Württemberg.[3] Vùng Montbéliard là thủ phủ của nhánh nhỏ nhà Württemberg, cũng là chi tộc của Sophie. Đây cũng là một trung tâm văn hóa, và là nơi nhiều chính trị gia cùng kinh tế học ra vào để diện kiến cha mẹ bà. Vào mùa hè, cả gia đình thường đến một dinh thự tại Étupes, Pháp.

Sophie được giáo dục khả cẩn thận, và học vấn của bà uyên thâm, hơn mức trung bình của phụ nữ thời ấy, một thời đại có xu thế không chú trọng học vấn của phụ nữ lắm. Trước năm 16 tuổi, Sophie Dorothea thành thạo được các ngôn ngữ quốc tế như tiếng Đức, Pháp, Ý và Latinh.

Khi 17 tuổi, Sophie phát triển trở nên cao ráo, đẫy đà và rất hoạt bát. Thời trang của bà chịu ảnh hưởng từ sự xa hoa của thời trang Pháp, kết hợp với sự đơn giản của giai cấp tư sản Đức[5]. Và dù trong mọi tình huống nào, ích lợi gia tộc luôn đặt lên hàng đầu, và điều này ngấm sâu vào trong người Sophie. Khoảng năm 1773, Sophie là một trong những công nương người Đức được dự trù làm vợ cho người thừa kế ngai vàng Nga, Đại vương công Pavel. Tuy nhiên, Sophie xứ Württemberg vào lúc đó chưa được 14 tuổi, do đó Wilhelmine xứ Hessen-Darmstadt được chọn do có tuổi tác thích hợp hơn.