Dobrevs Mutter ist Künstlerin, ihr Vater Computerspezialist; sie hat einen älteren Bruder. 1991 übersiedelte die Familie ins kanadischeToronto.
Dobrev besuchte die JB Tyrrell Sr. Public School und das Wexford Collegiate Institute in Scarborough (Toronto). Schon in jungen Jahren begeisterte sie sich für verschiedene künstlerische Bereiche. Neben Tanz, Gymnastik, Theater, Musik und bildender Kunst zählte hierzu auch das Schauspiel. In der folgenden Zeit nahm Dobrev Unterricht an der Dean Armstrong Schauspielschule, wo sie von einigen Agenturen entdeckt wurde. Über Tätigkeiten als Model und Auftritte in Werbespots kam sie schließlich zum Medium Film. Nach Auftritten in diversen Produktionen wie Chloe oder Never Cry Werewolf erhielt sie 2009 die Hauptrolle in der Mystery-Serie Vampire Diaries. Dort verkörpert sie in einer Doppelrolle die Figuren Elena Gilbert und Katherine Pierce (auch bekannt als Katerina Petrova).
Im Sommer desselben Jahres drehte sie an der Seite von Emma Watson und Logan Lerman den Film Vielleicht lieber morgen, wo sie eine der Nebenrollen verkörpert. Der Film erschien am 1. November 2012 in den Kinos.
Im April 2015 gab sie ihren Ausstieg bei Vampire Diaries nach dem Ende der sechsten Staffel bekannt.[3]
Im September 2013 zierte Nina Dobrev erstmals das Cover eines großen US-amerikanischen Lifestyle-Magazins, der Cosmopolitan.[4]
Nina Dobrev war 2010 bis 2013 mit ihrem Co-Darsteller aus Vampire Diaries, Ian Somerhalder, und von Oktober 2015 bis Anfang 2016 mit dem amerikanischen Schauspieler Austin Stowell liiert.[5][6] Seit 2020 ist sie mit dem pensionierten Profi-Snowboarder, Skateboarder und Olympiasieger Shaun White zusammen. Ende Oktober 2024 gaben sie ihre Verlobung bekannt.[7]
Dobrev spricht fließend Englisch, Bulgarisch und Französisch. Fürs deutschsprachige Fernsehen wird sie meist von Tanya Kahana synchronisiert. Während der Dreharbeiten zu Vampire Diaries lebte sie in Atlanta. Seit 2015 wohnt sie in Los Angeles.[8]