Sophie Leboulleux est diplômée en endocrinologie, médecine nucléaire et oncologie. Après un diplôme de médecin obtenu en 1995 à l’Université Paris VI Pierre et Marie Curie, elle suit une formation post-graduée en endocrinologie et se spécialise en cancérologie. En 2001, elle obtient un Doctorat de médecine à l’Université Paris VI Pierre et Marie Curie et, la même année, deux diplômes d’études spécialisées : l’un en endocrinologie et métabolisme et l’autre en cancérologie. Jusqu’en 2004, elle travaille dans le Service de médecine nucléaire et de cancérologie endocrinienne de l’Hôpital Gustave Roussy à Villejuif, puis effectue un séjour de 6 mois dans le Service d’endocrinologie et dans le Service de médecine nucléaire au Johns Hopkins Hospital de Baltimore pour compléter sa formation post-graduée. A son retour en France, elle devient praticienne spécialiste des centres de lutte contre le cancer dans le Service de médecine nucléaire et de cancérologie endocrinienne à l’hôpital Gustave Roussy à Villejuif. Elle obtient également un PhD en biologie, médecine et santé à l’Université Paris XI. En novembre 2021, elle rejoint l'Unité d'endocrinologie des HUG à la fonction de médecin adjointe, et professeure invitée au Département académique de médecine. Ses recherches portent sur la prise en charge des tumeurs thyroïdiennes, du nodule thyroïdien au cancer de la thyroïde réfractaire à l'iode radioactif. Elle est nommée professeure associée au Département de médecine de la Faculté de médecine de l’UNIGE en novembre 2023.