Alta 1,70 m e bionda naturale (per alcuni film e in TV spesso si è tinta i capelli di scuro per avere un look più "latino"), fu scoperta da un fotografo mentre passeggiava su una spiaggia colombiana e le fu offerta la possibilità di entrare nel mondo della moda e della televisione. Fece la sua prima apparizione pubblica all'età di 17 anni in uno spot commerciale per la Pepsi-Cola largamente trasmesso in tutta l'America latina.

Si trasferì a Bogotá all'età di 20 anni, dove lavorò come modella sulle passerelle e in televisione. Dal 1995 al 1999, fu co-ospite insieme a Fernando Fiore della trasmissione Fuera de Serie, che la portò a viaggiare in diversi posti esotici in tutto il mondo. Fu questa trasmissione a farla diventare celebre in America latina, permettendole anche alcune apparizioni sulla TV statunitense. Fu anche ospite dello show A que no te atreves.

Oltre alle sfilate di moda e ai cataloghi di moda, Vergara fece anche progetti indipendenti. Fece calendari sexy in costume da bagno nel 1998, 2000, e 2002. In America latina ebbero grande successo, giungendo anche sul mercato del Nord America. Fece diverse pubblicità per la televisione Sudamericana, e posò anche in costumi da bagno per dei poster per la birra.

Firmò un contratto in esclusiva con l'emittente Univision, e dopo che questo terminò, accettò un ruolo con la ABC negli Stati Uniti. Con la ABC, è apparsa nelle sitcom Hot Properties e Una banda allo sbando.

Nel 2007 ha interpretato il ruolo di Alicia Oviedo nella versione colombiana di Desperate Housewives, Amas de Casa Desesperadas. è apparsa anche nel dramma della ABC Dirty Sexy Money. Infine ha fatto anche un'apparizione come guest star nella soap opera messicana Fuego En La Sangre. Nel 2005 ha fatto parte del cast del film Four Brothers - Quattro fratelli per la regia di John Singleton.

Nel luglio 2008 ha posato per la rivista maschile Maxim. Dal 2009 è una delle protagoniste della commedia della ABC, Modern Family. Nel 2011 ha recitato nel film I Puffi, per la regia di Raja Gosnell, dove la Vergara figura tra i principali interpreti. Sempre nello stesso anno, recita nel film Capodanno a New York (New Year's Eve). Nel 2012 è apparsa nel film diretto da Peter e Bobby Farrelly I tre marmittoni.

Nel 2012, Forbes inserisce la Vergara tra le cento celebrità più potenti al mondo con 19 milioni di dollari guadagnati tra il maggio 2011 e il maggio 2012. Grazie all'ammontare dei suoi cachet, occupa la prima posizione della lista di Forbes delle attrici più pagate della tv nel 2012, posizione confermata anche nel 2013 con un guadagno di 30 milioni di dollari. Segue la striscia positiva anche nel 2014, anno in cui Forbes calcola profitti per 37 milioni di dollari, con una differenza dalla seconda della lista di 24 milioni di dollari.