Dobrev ble født i Sofia i Bulgaria og flyttet til Canada som toåring. Hun har en storebror som heter Alexander Dobrev. Hun bodde i Toronto før hun flyttet til Atlanta i Georgia for å jobbe med . Ninas mor er artist, og faren hennes er dataspesialist. Hun har en eldre bror som studerer for å bli ingeniør. Hun gikk på J.B. Tyrell Sr. Public School og Wexford Collegiate for the Arts i Scarborough i Ontario. Fra ung alder av har hun vist stor entusiasme og talent for dans, gymnastikk, teater, musikk visuell kunst og drama. Dobrev gikk på Dean Armstrong dramaskole, der hun ble oppdaget av forskjellige talentagenter i Toronto.