Nata in Bulgaria, ma cresciuta in Canada, la Dobrev mostra subito interesse per l'arte e all'età di nove anni gira l'Europa per partecipare alle competizioni di ginnastica ritmica. Durante il liceo frequenta una scuola di recitazione e dopo il diploma si iscrive alla Ryerson University di Toronto per specializzarsi in sociologia, ma abbandona gli stidi per dedicarsi alla sua carriera di attrice. Dopo aver interpretato diversi spot pubbliciatri, nel 2006 ottiene il ruolo di Mia Jones nella serie Degrassi: The next Generation. Nel 2007 è Bella in The Poet e nel 2008 ottiene un ruolo da protagonista in L'ora del licantropo. Nel 2010 ha una piccola parte nel film Chloe - Tra seduzione e inganno di Atom Egoyan, al fianco di Julianne Moore e Liam Neeson e nel 2012 interpreta la sorella di Logan Lerman nel successo di critica e di pubblico Noi siamo infinito. Dal 2009 ricopre i ruoli di Elena Gilbert e Katherine Pierce nella serie di genere horror The Vampire Diaries, tratta dalla serie di romanzi scritti da Lisa J. Smith. La rivista Entertainment Weekly la indica nel 2010 come una delle attrici-rivelazione grazie alla sua capacità di rappresentare entrambi i ruoli. Dal 2013, sempre in The Vampire Diaries, interpreta anche un terzo personaggio, quello dell'antica Amara. Nel 2014 è nel film commedia Bastardi in divisa, diretto da Luke Greenfield. Dopo The Final Girls, del 2015, affianca Vin Diesel nel film di D.J. Caruso xXx: il ritorno di Xander Cage (2017).