В "Подсолнухах" рассказывалось о неаполитанской паре, в которой молодые были разлучены друг с другом в начале Второй мировой войны. После того как мужа Антонио посылают солдатом на русский фронт, Джованна не получает о нем никаких сведений и в конце концов приходит к убеждению, что его там убили. Пять лет спустя, когда война заканчивается, она пытается получить от властей подтверждение о его смерти. Однако в архивах не обнаруживается сведений о гибели Антонио, и она решает ехать в Россию, чтобы там продолжить свои поиски. Кто-то рассказывает ей, что Антонио мог попасть в концентрационный лагерь и погибнуть там. После бесплодной недели, проведенной в Москве, она направляется на Украину. Джованна любуется полями, расцвеченными первыми летними подсолнухами, и они возвращают ей надежду, что ее муж все еще жив.
Так оно и происходит. Однако, страдая от потери памяти, вследствие контузии, полученной во время боя, Антонио давно женился на местной крестьянке, которая спасла его жизнь, родила от него дочь, и не узнает Джованну, когда они встречаются. Молодая женщина расстроена, торопливо возвращается в Италию, чтобы забыть предыдущую жизнь и начать совершенно новую. Вскоре она выходит замуж, и у нее появляется сын. Проходит несколько лет. К Антонио частично возвращается память, и он получает разрешение посетить свою родину. Конечно, Джованна и Антонио снова влюбляются друг в друга. Однако после короткого и бурного романа оба понимают, что должны вернуться к своим семьям.
Очень романтическая и в чем-то даже трагическая "мыльная опера" была совершенно новым направлением работы для Де Сика и Чезаре Дзаваттини, написавших сценарий под давлением Понти, который просил от них душещипательной истории, в чем-то сравнимой с "Доктором Живаго". Понти договорился с "Мосфильмом", главной киностудией СССР, предоставить оборудование и все необходимое для съемок. Впервые советское правительство разрешило деятелям кино Запада работать в своей стране. Понти надеялся, что этот проект позволит ему выйти на полномасштабное сотрудничество с "Мосфильмом". Он еще не отказался от идеи снять Софи в "Анне Карениной" Толстого, которую, возможно, ставил бы Лукино Висконти.
К тому времени, когда летом 1969 года Понти был готов начать "Подсолнухи", его предыдущая работа с Де Сика, Мастроянни и Фэй Дануэй "Место для влюбленных" только что вышла на экраны США. Прокатом занималась "МГМ", но очень скоро разочаровалась в своем выборе, так как фильм стал предметом насмешек у деятелей кино. Один уважаемый американский критик назвал его "самой ужасной картиной, которую я когда-либо видел". Другие предрекали конец Де Сика и Мастроянни и крушение надежд Дануэй стать звездой первой величины. Студия в этот момент готова была отменить "Подсолнухи", но, к счастью для Понти, этого не произошло.
Мастроянни позже утверждал, что он подписал контракт на свое участие в "Подсолнухах" только из-за возможности посетить Россию. Среди основных исполнителей этого фильма только он и Софи были из Италии. Все другие роли исполняли русские актеры. Сыграть Машу, крестьянскую жену Антонио, Де Сика пригласил одну из самых ярких звезд советского кино — Людмилу Савельеву, которая была известна на Западе в роли Наташи Ростовой в картине "Война и мир" Сергея Бондарчука, завоевавшей "Оскара".
Поскольку фильмы Софи редко имели роли, которые предоставляли возможность другим актрисам проявить себя (среди недавних исключений в этом отношении выделялись "Две женщины"), она была не очень довольна выбором на роль Савельевой. Хотя у них не много совместных сцен, Софи опасалась, что Савельева могла перетянуть внимание на себя, особенно в эпизодах с Мастроянни. Она также ревниво относилась к тому, что Де Сика все время проводит с русской, готовя ее к съемкам.
Софи делилась опасениями с членами своей команды, которые всегда критиковали игру Савельевой, особенно за то, что ей помогает Де Сика. Однако критические обсуждения привели к противоположным результатам — режиссер начал уделять Савельевой еще больше внимания и времени. Однако, как жена продюсера, Софи могла впоследствии прибегнуть к более решительным мерам. Говорят, она настояла, чтобы при конечном монтаже фильма сцены с Савельевой были по возможности максимально урезаны.