A modellkedés reklámszerepekhez vezetett, ami aztán filmes meghallgatásokba ment át. Kis idővel ezután szerepeket kapott különböző filmekben, mint például a Fugitive Pieces-ben, az Egyre távolabb-ban (Away from Her), a Never Cry Werewolfban, és a Degrassi gimi című tévésorozatban is. Szintén szerepelt a The American Mall című filmben. Jelenleg a Vámpírnaplók (The Vampire Diaries) című sorozatban játszik kettős szerepet. Elena Gilbertet alakítja, aki megakad a két vámpírtestvér között; valamint Katherine Pierce-t, Elena vámpír hasonmását, akinek szerelmi kapcsolata volt ugyanazzal a testvérpárral még az amerikai polgárháború idején.A sorozat középpontjában az Elena és a két vámpír, Stefan és Damon Salvatore között kialakuló szerelmi háromszög áll. Dobrev a drámában nyújtott alakításáért két Teen Choice-díjat is kapott 2010-ben, mint a legjobb új női szereplő, és mint a legjobb női szereplő fantasy/sci-fi tévésorozatban.Kapott egy kisebb szerepet a Chloe című erotikus thrillerben.2011-ben Mariaként játszott A szobatárs (The Roommate) című thrillerben, melyben a Vámpírnaplók másik sztárja, Katerina Graham is szerepelt. A szintén 2011-es Arena című filmben Samuel L. Jackson és Kellan Lutz oldalán fog főszerepet játszani.2012-ben a The Perks of Being a Wallflower című filmben is szerepelni fog, melyben Logan Lerman és Emma Watson fogja játszani a főszerepet. A film Stephen Chbosky ugyanazon című könyvén alapult.