İlköğretimini Giresun'da tamamladıktan sonra, Ankara Devlet Konservatuarı Opera-Şan bölümüne girdi. 1967-1969 yılları arasında askerlik görevini yapan Sönmez, askerlik sonrası Avni Dilligil Tiyatrosu’nda profesyonel tiyatro oyunculuğuna başladı. Sırasıyla Ankara Sahnesi ve Ankara Kardeş Oyuncular Tiyatrosu'nda çalışmalarını sürdürdü.

Tiyatro’da oyunculuğunu sürdürürken Zülfü Livaneli’nin yapımcılığında ilk plağı olan "İnce Memed - Hekimoğlu" ile şarkıcılığa başladı. Sonra halk türküleri sınavını kazanarak radyoya girdi. Karadeniz türkülerinin en önemli sanatçılarından biri oldu. Bu sırada sinema filmlerinde de rol aldı.

Kamil Sönmez, 1993 yılından beri Kültür ve Turizm Bakanlığı, Devlet Türk Halk Müziği korosunda solisttir. 1998 yılında Kültür Bakanlığı'nca verilen Devlet Sanatçısı unvanını almıştır.