Née à Troyes en 1967 d'un père français et d'une mère serbe, Sonja Delzongle a grandi, imprégnée des deux cultures. Elle a mené une vie de bohème, riche d’expériences professionnelles variées, du commerce artisanal africain-asiatique à la tenue d'un bar de nuit, tout en écrivant et peignant. Après un DEUG en Langues Étrangères Appliquées, elle intègre l'École des Beaux-Arts de Dijon, dont elle sort diplômée au bout de six ans. Elle peint et expose durant une quinzaine d'années, puis devient journaliste en presse écrite à Lyon, ville où elle vit toujours et dont elle a fait le décor de l’un de ses derniers thrillers, Thanatea.

Sa carrière littéraire débute discrètement avec La Journée d'un sniper (2007), À titre posthume (2009) et Le Hameau des Purs (2011), avant que Dust (Denoël, 2015) ne marque un tournant. Ce thriller glaçant, nourri par sa passion de longue date pour l'Afrique, lui vaut le prix Anguille sous roche et impose une signature reconnaissable, faite d'atmosphères hostiles et de noirceur humaine poussée dans ses retranchements. Suivront notamment Quand la neige danse (2016), Récidive (2017), Boréal (2018), L'Homme de la plaine du Nord (2020), Le Dernier Chant (2021) et Abîmes (2022), qui la consacrent comme l'une des voix majeures du thriller français.

Régulièrement distinguée, elle reçoit le prix du jury des lecteurs du festival du polar de Villeneuve-lez-Avignon 2018 pour Boréal, puis le Grand prix du festival des littératures policières 2022 pour Abîmes, le Prix de la Ligue de l’Imaginaire pour Noir comme l’orage (Fleuve Noir et Pocket) et le Prix Sang pour Sang Dard pour La Gardienne (Fleuve Noir). 

Elle a été invitée à deux reprises sur le plateau de La Grande Librairie, en 2020 avec François Busnel avec L’homme de la plaine du Nord (Denoël et Folio Policier) et en 2025 avec Augustin Trapenard avec Apnée (Fleuve Noir et Folio Policier). 

Elle cofonde en 2022, avec d'autres auteures, le collectif "Les Louves du polar", destiné à donner davantage de visibilité au polar féminin.