В начале Первой Мировой войны переехала из Парижа в Мадрид. Некоторое время работала в Португалии. Познакомилась с И. Ф. Стравинским, С. П. Дягилевым, В. Ф. Нижинским. Для антрепризы Дягилева создала эскизы костюмов и декораций к балету «Клеопатра» на музыку А. С. Аренского (Мадрид, Барселона; 1918). Оформила открытие казино в Мадриде (1919).

В 1916 экспонировала в Осеннем салоне предметы прикладного искусства, выполненные с использованием приемов кубизма и орфизма. Провела персональные выставки в Стокгольме (1916), Бильбао (1919), Берлине (1920).

В 1920 возвратилась в Париж. В 1923 вместе с В. С. Бартом и Х. Грановским осуществила постановку пьесы Т. Тцара «Воздушное сердце», организованную литературно-художественной группой «Через» в помощь русским художникам за рубежом. В 1924 вместе с Жаком Хеймом открыла Ателье мод, где демонстрировала модели одежды, производственных костюмов, рисунки тканей, эскизы интерьеров, проекты оформления автомобилей. Участвовала в международной выставке художественно-декоративных искусств в Париже (1925).

В 1931 стала одним из учредителей авангардного объединения «Абстракция — Созидание». В 1937 за оформление интерьеров французского павильона на Всемирной выставке в Париже была отмечена золотой медалью. В 1938 провела большую персональную выставку в Городском музее Амстердама. В 1939 вместе с мужем и Т. ван Дусбургом основала авангардистский художественный салон «Новая реальность». Выставляла свои работы в групповых выставках «Конкретное искусство» в галерее «Рене Друэн» (1945), «Первые мастера абстрактного искусства» в галерее «Магт» (1949) и других. Провела персональные выставки в парижских галереях «Бинг» (1954), «П. Бере» (1964), Лувре (1964), Музее современного искусства (1967/1968). В поздний период создала большой цикл абстрактных картин «Ритм и цвет», в которых на смену резким контрастам пришли плавность цветовых переходов и умеренная яркость.

В 1985 в Музее современного искусства в Париже состоялась выставка, посвященная 100-летию со дня рождения художницы.

Соня Делоне принадлежит к крупнейшим мастерам европейского авангарда. В раннем творчестве писала натюрморты, интерьеры парижских кафе, портреты. В начале 1910-х под влиянием кубизма отошла от фигуративности в сторону геометрии и абстракции, экспериментировала с ритмом и разложением цветов. В дальнейшем писала в основном абстрактные работы, изредка обращаясь к фигуративной живописи. Произведения художницы 1930-х близки художественным поискам В. В. Кандинского, П. Мондриана, Б. Хепуорт и М. Сефора. В эстетике промышленного искусства (эскизах росписей тканей, моделей одежды, керамике) сближалась с конструктивизмом В. Е. Татлина, А. А. Веснина, Эля Лисицкого.

Произведения Делоне находятся во многих мировых музейных собраниях, в том числе в Музее современного искусства в Париже, ГМИИ им. А. С. Пушкина и других.