Pierwotnie uniwersytet został utworzony jako miejsce spotkań fakultetu teologii, jako College de Sorbonne przez Roberta de Sorbon (1201-1274), kapelana i spowiednika króla Ludwika IX. W tamtym czasie na Sorbonie studiowało tylko dwudziestu studentów. Szybko zyskał reputację i już w XIII wieku gościł 20 tysięcy studentów z całej Europy, czyniąc Paryż stolicą nauki świata zachodniego. Do dzisiaj zagraniczni studenci stanowią znaczącą część wszystkich studentów uniwersytetu.
23 czerwca 1894 roku baron Pierre de Coubertin zorganizował na Sorbonie międzynarodowy kongres, który doprowadził do utworzenia Międzynarodowego Komitetu Olimpijskiego. W 1968 roku Sorbona była miejscem gwałtownych rozruchów studenckich znanych jako Paryski Maj, co po raz drugi w XX wieku doprowadziło do zamknięcia na pewien czas uczelni (po raz pierwszy stało się to po inwazji Niemiec na Francję w 1940 roku).
Uniwersytet został potem podzielony na szereg autonomicznych szkół i uniwersytetów, ale niektóre z nich w dalszym ciągu noszą nazwę Sorbona: Paris-I (Panthéon-Sorbonne), Paris-III (Sorbonne nouvelle), Paris-IV (Paris-Sorbonne), Paris-V (Paris Descartes). Historyczny campus w Dzielnicy Łacińskiej, w 5eme arrondissement, został podzielony tak, aby mógł obsługiwać kilka uniwersytetów.
Pierwszą kobietą-profesorem na Sorbonie była Maria Skłodowska-Curie.
Patronką uczelni jest święta Katarzyna z Aleksandrii.