Née Nikolina Kamenova Dobreva à Sofia en Bulgarie le 9 janvier 1989, Nina Dobrev est âgée de deux ans lorsque ses parents bulgares s'installent à Toronto au Canada. Son père, Kamen Dobrev, est informaticien et sa mère, Michaela Dobreva (née Radeva), est une artiste peintre. Elle a un frère aîné, Aleksander Dobrev (né le 13 mars 1984). Ses parents divorcent lorsqu'elle est âgée de dix ans ; elle retourne en Bulgarie avec sa mère et son frère, où ils resteront pendant deux ans avant de retourner à Toronto. Le 9 mai 2002, sa mère se remarie avec un Français originaire d'Avignon, rencontré durant leur séjour en Bulgarie.

Nina étudie à l'école primaire J. B. Tyrrell Sr. Public School à Toronto où elle prend des cours de danse classique, de danse jazz, ainsi que de gymnastique. Elle devient rapidement une gymnaste de haut niveau, participant à de nombreuses compétitions - notamment internationales, mais choisit de mettre fin à sa carrière sportive pour se concentrer sur sa vocation d'actrice.

Après avoir obtenu son diplôme de fin d'études secondaires, elle intègre l'école d'arts dramatiques Wexford Collegiate School for the Arts de Scarborough, avant d'étudier la sociologie à l'université Ryerson de Toronto. Elle y sera major de sa promotion avant d'arrêter ses études en 2008, à 19 ans, pour se concentrer sur sa carrière d'actrice. Elle prend ensuite des cours de comédie à l'Armstrong Acting Studios de Toronto.

Elle fait ses débuts de comédienne dans la série dramatique canadienne Degrassi : La Nouvelle Génération dans laquelle elle jouait Mia Jones de 2006 à 2009.

Elle devient une star mondiale lorsqu'elle interprète les rôles d'Elena Gilbert, de Katherine Pierce et de nombreux autres dans la série dramatique/fantastique américaine Vampire Diaries. Elle tient ces rôles de façon régulière des saisons 1 à 6 avant de revenir en tant qu'invitée dans la huitième et dernière saison de la série en 2017.

Parallèlement à la série, elle se lance du côté du cinéma avec des apparitions remarquées dans des films aux genres très variés : la comédie dramatique Le Monde de Charlie, la comédie d'action Cops : Les Forces du désordre ainsi que la comédie horrifique Scream Girl .

En 2017, elle est à l'affiche de xXx: Reactivated, troisième volet de la série de films d'action xXx, aux côtés de Vin Diesel ainsi que du film de science fiction Flatliners, secondant Elliot Page.

En 2019, elle est à l'affiche de l'éphémère sitcom Fam.

De février 2010 à mai 2013, Nina Dobrev a une relation très médiatisée avec l'acteur américain Ian Somerhalder, son partenaire dans Vampire Diaries. Elle fréquente ensuite brièvement le danseur américain Derek Hough durant quelques mois en 2013. Elle est, par la suite, en couple avec l'acteur américain Austin Stowell d'avril 2015 à février 2016, avant de fréquenter l'acteur américain Glen Powell de décembre 2016 à novembre 2017. De novembre 2018 à octobre 2019, elle est en couple avec le scénariste et réalisateur américain Grant Mellon (né le 23 septembre 1986).

Depuis décembre 2019, elle partage sa vie avec le triple champion olympique américain Shaun White. Le couple annonce ses fiançailles le 30 octobre 2024.