Софья Брюллова была одной из первых, поступивших в только что открытые в 1860-х годах женские гимназии, и по окончании гимназического курса пристрастилась к занятиям историей, восполняя недостатки школы серьёзным самообразованием. Семейная обстановка и общение с людьми, собиравшимися в доме её знаменитого отца, имели огромное значение для её умственного и нравственного развития.
Достаточно подготовившись, Брюллова стала преподавать историю в Василеостровской женской гимназии, отказавшись от жалованья в пользу бедных учениц.
Прекрасно владея словом, она обратила на себя внимание участием в прениях существовавшего тогда Педагогического общества.
Замужество с П. А. Брюлловым не помешало ей заниматься историческими исследованиями, особенно екатерининской эпохой. Умерла, не дожив до 26 лет (5 октября 1877), от последствий беременности. Не справившись с этой потерей, через два года умерла ее мать, Антонина Кавелина, урожденная Корш.
Софья Кавелина, по воспоминаниям современников, была девушкой неординарной, особенной. У нее был острый ум, энциклопедические знания, высокие духовные качества. 20 февраля 1871 писатель Иван Сергеевич Тургенев присутствовал на диспуте между юной Софьей и маститым учителем - историком о методах преподавания истории в Педагогическом Обществе и оставил об этом яркие воспоминания: «Это был незабвенный для меня вечер…Молоденькая, небольшого росту, девушка в простом сереньком платьице, с белым платочком на шее… говорила почти еще детским голосом так умно и так увлекательно, возражала так дельно, выказывала такое разнообразное знание своего предмета, такие энциклопедические сведения, - что все слушатели (а их собралось много на этот диспут) – были поражены – скажу прямо: очарованы…», - писал Тургенев.