Fille du producteur Donald Bellisario et de l'actrice Deborah Pratt, Troian est née le 28 octobre 1985 à Los Angeles County en Californie (États-Unis). Elle a un frère prénommé Nicholas Dante Bellisario mais est aussi la demi-sœur de l'acteur Michael Bellisario et des producteurs Julie Bellisario Watson et David Bellisario. Depuis le remariage de son père en 1998, Troian est aussi devenue la demi-sœur de l'acteur Sean Murray et du producteur Chad W. Murray.
Elle débute sa carrière à l'âge de 4 ans, dans le film Crimes de sang (produit par son père). Elle fait ensuite une apparition dans les séries Code Quantum, Tequila et Bonetti et JAG avant d'apparaître au côté des sœurs Mary-Kate et Ashley Olsen dans le film Recherche maman désespérément.
En 2002, elle apparaît dans la mini-série First Monday créée par son père. Quatre ans plus tard elle commence à apparaître dans des films indépendants tels que Unspoken, Archer House, Intersect et Consent puis rejoint son demi-frère Sean Murray dans la série NCIS : Enquêtes spéciales pour deux épisodes, en tant que petite sœur de ce dernier.
Aujourd'hui elle est reconnue comme étant l'interprète de Spencer Hastings, un des personnages principaux de Pretty Little Liars diffusé aux États-Unis sur ABC Family depuis le 8 juin 2010. Elle devrait aussi apparaître au côté de sa mère Deborah Pratt ainsi que de l'acteur Michael C. Hall de la série Dexter dans le prochain film de Barry Blaustein intitulé Peep World.
Depuis décembre 2010, Troian est en couple avec le photographe et acteur, Patrick J. Adams, qu'elle a rencontré sur le tournage de Pretty Little Liars lorsque ce dernier est apparu dans un épisode de la saison 1 de la série.