Soraya era figlia di Khalil Esfandiari Bakhtiyari, un importante membro della tribù dei Bakhtiyari (Farsan) e ambasciatore d'Iran nella Repubblica Federale Tedesca. La madre, Eva Klein, era ebrea tedesca di origini russe. Soraya aveva anche un fratello, Bijan Esfandiari Bakhtiyari. Il 12 febbraio 1951, all'età di 19 anni, Soraya  sposò lo Scià a Teheran. Il loro matrimonio ebbe fine il 6 aprile 1958, quando lo Scià la ripudiò dopo che fu evidente che non avrebbe potuto dargli dei figli. Lo stesso Scià diede annuncio della separazione pubblicamente, visibilmente affranto. Nonostante il matrimonio combinato fosse sfociato in una grande passione, come ammise la stessa Soraya nell'autobiografia Il palazzo della solitudine (scritta nel 1991), la sua vita a palazzo era molto difficile e faticosa, a partire dalla lontananza continua del marito, fino alla generale condizione che soffriva in quanto donna. La principessa era vittima di una discriminazione ben lontana dallo stile di vita che aveva vissuto in Europa, dove aveva sognato di fare l'attrice. A complicare la situazione, vi era la notevole pressione che subiva dalla famiglia reale, ansiosa di veder assicurato un erede al trono. Dopo la separazione, che le lasciò comunque il titolo di Sua Altezza Imperiale la Principessa d'Iran, si trasferì in Francia, desiderosa di riprendere la sua carriera d'attrice. Recitò nel film del 1965 I tre volti accanto ad Alberto Sordi, dove conobbe e si innamorò del regista italiano Franco Indovina. Dopo la morte di Indovina, avvenuta nel 1972 nell'incidente aereo di Montagna Longa a Palermo, Soraya trascorse il resto della sua vita girovagando per l'Europa. Nonostante fosse ormai una vera diva del jet-set, era diventata celebre per la sua depressione. Morì per cause naturali all'età di 69 anni, e venne seppellita a Monaco. I suoi beni furono venduti ad un'asta a Parigi. Tra questi anche il suo abito da sposa, creato da Christian Dior, valutato 1,2 milioni di dollari. La vita di Soraya (alla quale,venne dato il soprannome di "principessa dagli occhi tristi") ha ispirato romanzi e anche canzoni, come Je Veux Pleurer Comme Soraya (Voglio piangere come Soraya) di Françoise Mallet-Jorris e "L'amore ha i tuoi occhi", struggente motivo eseguito in italiano da Bruno Filippini.