Bei der letzten Volkszählung 2001 bezeichneten sich die überwiegende Mehrheit der Bevölkerung als Christen, die meisten gehören der bulgarischen orthodoxen Kirche (82,6 Prozent) an. Religiöse Minderheiten in Sofia sind die Muslime und eine rapide schwindende jüdische Glaubengemeinschaft von wenigen hundert Menschen. Dabei handelt es sich vor allem um sephardische Juden.
Die Religiosität und das Vertrauen in die Kirche sind allerdings wesentlich geringer als in den Nachbarländern, was oft mit der Anpassung der bulgarischen Kirche an das ehemalige kommunistische Regime begründet wird. So bezeichneten sich 1999 nach Angaben der European Values Study nur 52 Prozent der Einwohner als religiös, und nur 22 Prozent gehen mindestens einmal im Monat in die Kirche.