En 1997, elle se joint à Gaz Métro, en tant que vice-présidente, développement des affaires. En 2005, Sophie Brochu est nommée vice-présidente exécutive. Entre 2007 et 2019, elle occupe le poste de présidente et chef de la direction de Gaz Métro[4]. Lorsqu'elle quitte Gaz Métro, devenu Énergir depuis 2017, elle y a travaillé pendant 22 ans[5].
Elle a été choisie pour interviewer Hillary Clinton (en 2014)[6] et Barack Obama (en 2017)[7] lors de conférences tenues à Montréal.
En , elle est nommée présidente d'Hydro-Québec[8],[9]. En janvier 2023, elle annonce qu'elle quittera la direction de l'entreprise en avril, 3 ans après son arrivée à sa tête[10]. La raison de son départ n’est pas précisée.
Elle est impliquée activement auprès de Centraide du Grand Montréal, et préside par ailleurs le conseil d’administration de la Fondation Forces Avenir, un organisme de soutien des étudiants dans la communauté. Elle est également cofondatrice de La ruelle de l’avenir, un organisme qui lutte contre le décrochage scolaire dans les quartiers Centre-Sud et Hochelaga-Maisonneuve[3].
Sophie Brochu participe à La Grande Campagne de la Fondation de l'Université Laval (leadership de campagne)[11].