Shay Mitchell est née le 10 avril 1987 à Toronto, dans l'Ontario au Canada, d'une mère philippine et d'un père irlando-écossais. Très tôt, elle montre son intérêt pour le spectacle. Elle débute des cours de danse à l'âge de 5 ans et participe à plusieurs concours de danse contre d'autres écoles.
À l'âge de 10 ans, Shay et sa famille déménagent à Vancouver, en Colombie-Britannique. Moins d'un an après leur arrivée, une agence de mannequins internationale procède à un casting pour adolescentes et pré-adolescents et Shay est une des filles sélectionnées. Durant son adolescence, elle fut mannequin pour différentes entreprises et dans différentes villes, comme Bangkok, Hong Kong ou encore Barcelone.
Shay voulant désormais se consacrer à sa vraie passion qu'est la comédie, elle rentre à Toronto pour étudier l'art dramatique. Elle fait ensuite une apparition dans la série Degrassi : La Nouvelle Génération et tourne dans plusieurs spots publicitaires. Elle apparaît dans le clip de "Hold My Hand" de Sean Paul ainsi que dans la série Rookie Blue et décroche un rôle récurrent dans la série Aaron Stone.
Aujourd'hui, Shay est plus connue comme étant l'interprète d'Emily Fields, un des personnages principaux de Pretty Little Liars diffusé aux États-Unis sur ABC Family depuis le 8 juin 2010. Elle avait d'ailleurs initialement auditionné pour le personnage Spencer Hastings, interprété par Troian Bellisario.
Sa mère est la cousine germaine de l'actrice Lea Salonga. Shay est la meilleure amie de l'actrice Ashley Benson qui est également sa partenaire dans Pretty Little Liars.