В 1907–1910 гг. она училась в художественной школе Е. Н. Званцевой в Петербурге, где преподавали Л. С. Бакст, М. В. Добужинский, К. С. Петров-Водкин, К. А. Сомов.
В 1908 году по совету Л. С. Бакста Дымшиц стажировалась в Париже: занималась в ателье Е. Н. Кругликовой, в Академии «La Palette» под руководством Жака-Эмиля Бланша, Шарля Герена и Анри Ле Фоконье.
По возвращении в Москву Софья начала самостоятельно работать и выставляться.
В 1911 г., во время пребывания супругов Толстых в Париже, у них родилась дочь Марианна (1911–1988).
В 1914 г. Софья Дымшиц и А. Н. Толстой расстались.
С 1912 г. С. Дымшиц принимала участие в авангардных выставках в Петербурге и Москве: «Мир искусства», «Бубновый валет», «Выставка живописи 1915 года» и др.
После Октябрьской революции в 1917–1919 гг. С. Дымшиц участвовала в работе Союза деятелей искусств Петрограда. В 1918 г. избрана секретарём отдела ИЗО Наркомпроса и вошла в состав Всероссийского выставочного отделения при Наркомпросе. Подготовила к публикации первый (и единственный) номер журнала «Интернационал искусства». В 1919 г. организовала художественную постановку празднования 2-й годовщины Октябрьской революции в Москве.
С 1919 г. Дымшиц стала секретарем и помощником одного из лидеров русского авангарда Владимира Татлина.
В 1921 году Софья вышла замуж за немецкого архитектора, коммуниста Германа Пессати. В 1922 году родила сына Александра.
Дымшиц разрабатывала эскизы рекламных плакатов для советских журналов. В 1923 году принимала участие в «Выставке художников Петрограда всех направлений».
В 1924 году работы Софьи Исаковны экспонировались на XIV Международной выставке искусства Венецианской биеннале.
В 1925–1935 гг. Дымшиц заведовала художественным отделом журнала «Работница и Крестьянка».
После смерти мужа Германа Пессати в 1939 году Софья Исааковна жила в коммунальной квартире, в полном одиночестве.
Сын Александр погиб в 1942 г. под Сталинградом.
Софья Дымшиц скончалась в 1963 году в Ленинграде.
Марианна Алексеевна, дочь С. И. Дымщиц и А. Н. Толстого, стала доктором химических наук, профессором Московского Института стали и сплавов, зав. кафедрой общей химии в Московском авиационно-технологическом институте им. К. Э. Циолковского (МАТИ).
Мужем Марианны Алексеевны был Евгений Александрович Шиловский (1889–1952), военный. С октября 1928 года занимал должность начальника штаба Московского военного округа, с февраля 1931 г. работал в Военно-воздушной академии РККА им. Н. Е. Жуковского. В разное время занимал должности старшего руководителя кафедры оперативного искусства, начальника оперативного факультета, начальника штаба академии. С декабря 1936 года Шиловский – старший преподаватель, а с мая 1940 года – начальник кафедры оперативного искусства Академии Генерального штаба РККА. Марианна Толстая и Евгений Шиловский познакомились в 1933 году во время отдыха в санатории под Москвой, поженились в 1936 году, а в 1937 году у них родилась дочь Марина.
Е. А. Шиловский был вторым мужем Елены Сергеевны Булгаковой (Нюренберг-Неёловой), послужил прототипом Вадима Рощина в романе А. Н. Толстого «Хождение по мукам» и прототипом мужа Маргариты в романе «Мастер и Маргарита» М. Булгакова.
