Née en Bulgarie sous le nom de Nikolina Konstantinova Dobreva, Nina Dobrev déménage à l'âge de 2 ans à Toronto au Canada. Bilingue anglais, bulgare, elle étudie au lycée B.Tyrrell Sr. Public School de Toronto où elle pratique la danse et la gymnastique. Ayant repris les gènes artistiques de sa mère, la jeune étudiante entreprend de devenir actrice en intégrant l'école d'Arts dramatique de Scarborough, tout en assurant ses arrières en préparant un diplôme de sociologie, à l'université de Ryerson.

En 2006, elle fait ses armes dans le cinéma canadien alors qu'elle est encore adolescente dans Loin d'elle, Fugitive Pieces et Opération Varsovie : Le poète, pour finir par obtenir un rôle récurrent à la télévision, dans la série Degrassi : Nouvelle Génération, celui de Mia Jones, qu’elle interprète de 2006 à 2009. C'est en 2008 qu'elle décide de mettre un terme à ses études pour se concentrer uniquement sur le métier d'actrice.

Sa carrière peine toutefois à décoller : elle joue une jeune lycéenne qui tombe amoureuse d’un loup-garou dans Mon voisin le loup-garou, dont la sortie se faite uniquement en dvd, et une chanteuse prénommée Ally dans le téléfilm musical American Voice. Le succès se rapproche toutefois en 2009, avec le film Chloe d’Atom Egoyan, où elle partage l’affiche avec Julianne Moore, Liam Neeson et Amanda Seyfried.

C’est finalement à la télévision que la jeune actrice se fait connaître du grand public avec la double interprétation d’Elena Gilbert et Katherine Pierce dans la série Vampire Diaries. Parallèlement, la comédienne collectionne les sorties dvd (The Roommate, Arena, Gladiateurs de la mort). Habituée aux rôles de lycéennes, Nina Dobrev participe en 2012 au film Le Monde de Charlie avec les très à la mode Emma Watson et Logan Lerman.

Pour 2015, la jeune femme se retrouve sur le projet Cops – Les forces du désordre, buddy movie porté par Jake Johnson et Damon Wayans Jr.. La même année, elle donne la réplique à Taissa Farmiga dans Scream Girl. Une jeune femme faisant le deuil de sa mère, qui était une célèbre actrice des années 80, se retrouve projetée dans l'un de ses films. Les deux femmes désormais réunies vont tenter de combattre le meurtrier qui s'y trouve.

Deux ans plus tard, Nina côtoie Vin Diesel dans le film d'action xXx Reactivated avant de camper une étudiante dans Flatliners - L'Expérience interdite. Pour découvrir ce qui se passe après la mort, cinq étudiants en médecine se lancent dans une expérience aussi audacieuse que dangereuse. Sur eux-mêmes, volontairement, ils provoquent des arrêts cardiaques pendant de courtes périodes afin de vivre des expériences de mort imminente.

En 2019, Roger Avary, co-auteur de Pulp Fiction, fait appel à elle pour incarner Chloé dans Lucky Day. Le film raconte l'histoire de Red. Pour lui, c’est le grand jour, il sort de prison après avoir purgé deux ans pour un braquage de banque qui s'est soldé par la mort de son complice. Il retrouve sa femme Chloé qui l’a attendu tout en élevant seule leur fille Beatrice. Le même jour, Luc, le frère de son ancien complice, tueur à gages et psychopathe notoire, débarque assoiffé de vengeance et avec la ferme intention de l'éliminer.