Большое влияние оказывают на Соню колористические эксперименты мужа. Она начинает писать симультанные картины и вместе с Робером выставляться на многих выставках в Париже, Праге, Берлине, Будапеште, Варшаве, Америке. В 1912–1913 годах супруги Делоне разрабатывают принципы живописного орфизма – разновидности кубизма, которая основана на подчеркивании цветовых эффектов и динамики, скрытой в цветовых сочетаниях. В 1913 году Соня Делоне представляет свои первые орфистские работы в салоне Независимых.
Соня Делоне в костюме собственного дизайна, 1926 г.
Первая мировая война заставляет супругов переселиться из Парижа в Испанию и позже в Португалию, где они прожили шесть лет, с 1914 по 1920 год, и подружились со многими местными художниками. В Испании Соня Делоне знакомится с Игорем Стравинским, Сергеем Дягилевым, Вацлавом Нижинским. Для антрепризы Дягилева она создаёт эскизы костюмов и декораций к балету «Клеопатра» на музыку А. С. Аренского (Мадрид, Барселона; 1918). В 1916-м художница экспонирует в Осеннем салоне предметы прикладного искусства, выполненные с использованием приемов кубизма и орфизма. Проводит персональные выставки в Стокгольме (1916), Бильбао (1919), Берлине (1920). В этот период Соня берётся буквально за всё: создает модели одежды и обуви, рисунки к игральным картам, силуэты автомобилей, театральные костюмы. Она ткёт ковры, иллюстрирует книги. Без труда переключается с одного вида деятельности на другой, и всё ей удаётся.
В 1920 году супруги Делоне возвращаются в Париж. В 1923-м вместе с В. С. Бартом и Х. Грановским Соня Делоне осуществляет постановку пьесы Тристана Тцара «Воздушное сердце». В 1925-м участвует в Международной выставке декоративного искусства вместе с Александрой Экстер, Натаном Альтманом, Давидом Штеренбергом. Соня Делоне становится крупнейшим мастером «ар-деко», её находки начинают широко использоваться в дизайне, керамике, сценографии, рекламе. Она разрабатывает рисунки тканей для лионских фабрик, в 1924 году открывает вместе с Жаком Хеймом ателье мод «Симультанистский бутик», где демонстрирует модели одежды, производственных костюмов, рисунки тканей, эскизы интерьеров и даже проекты оформления автомобилей. Во многом именно благодаря этому стиль «ар-деко», синтезирующий модерн и авангард, стал определяющим фактором межвоенной моды. Завоевания «ар-деко» были закреплены вышедшими в Париже альбомами художницы («Ткани и ковры Сони Делоне», 1928; «Композиции. Цвета. Идеи», 1930).
Художница не оставляет и станковую живопись. В 1931 году она становится одним из организаторов салона «Абстракция – Созидание», а в 1939-м – авангардистского салона «Новая реальность», вносит большой вклад в послевоенный подъем французского абстракционизма, по-прежнему сохраняя геометрическую ритмику ярких, спектрально дополняющих друг друга цветов. Создаёт также эскизы для мозаик и витражей, занимается керамикой, книжной графикой, текстильным дизайном.
В 1937 году происходит важное событие – супруги Делоне участвуют в оформлении интерьеров французского павильона на Всемирной выставке в Париже, для которой Соня создаёт панно величиной в 235 квадратных метров. Её работа была отмечена золотой медалью. В 1938-м она проводит большую персональную выставку в Городском музее Амстердама.
Робер Делоне умирает в 1941 году от рака. Несмотря на постигшее её горе, Соня с удвоенной энергией продолжает работать над совместными проектами, стремится увековечить память мужа, публикуя его теоретические труды. Она пишет воспоминания о Робере и своих друзьях: Г. Аполлинере, П. Пикассо, М. Жакобе, Ф. Леже, Ж. Браке, А. Экстер (близкой подруге), В. Кандинском, Н. Альтмане, А. Архипенко и других. Почти на всех выставках абстрактного искусства, буквально заполонивших Европу после войны, Делоне экспонирует свои и мужнины работы. Это групповые выставки «Конкретное искусство» в галерее «Друэ» (1945), «Первые мастера абстрактного искусства» в галерее «Меет» (1949) и другие. Её персональные выставки проходят в парижских галереях «Бинг» (1954), «П. Бере» (1964), Лувре (1964), Музее современного искусства (1967/1968). В поздний период Соня Делоне создаёт большой цикл абстрактных картин «Ритм и цвет», в которых на смену резким контрастам пришли плавность цветовых переходов и умеренная яркость.
Костюм к балету «Клеопатра» Сергея Дягилева. Соня Делоне. 1918 г.