Cote de Pablo est née le 12 novembre 1979 à Santiago, au Chili, mais elle a grandi à Miami, en Floride où elle a été élevée par sa mère, qui travaille dans le domaine de la télévision espagnole.
Elle a suivi ses études dans cette ville, à l'Arvida Middle School of Miami. Elle a suivi une formation au Carnegie Mellon University de Pittsburg où elle étudia le théâtre, la composition et la musique de chambre. Elle obtient un diplôme en 2000.
Elle commence sa carrière en 1994, en tant que présentatrice du programme Control.
On peut la retrouver à la télévision dans : Measure for Measure (2002) dans le rôle de Juliet, L'éducation de Max Bickford (téléfilm, 2001) dans le rôle de Gina, The Street (2002, série TV) dans le rôle de Fiona, When I grow up (film, 2003), et auparavant dans le soap All My Children (1998-2000), soap dans lequel joua également Lauren Holly en son temps, et où Cote de Pablo se fit connaître. Elle décroche en 2004 le premier rôle principal de sa carrière dans la courte série “The Jury” (séries TV, 2004-05), diffusée sur la Fox durant 2 mois et où elle interprétait Marguerite Cisneros. Suite à l'échec de la série, l'actrice part alors pour New-York où elle fit également ses débuts au théâtre à Broadway dans la pièce The Mambo Kings, pièce qu'elle joua également au Golden Gate Theater de San Francisco.
C'est après son rôle dans The Jury qu'elle décrocha celui de Ziva David en 2005 et intégra le cast de NCIS.
Elle a reçu le 18 août 2006 l'Award de la “Meilleure actrice dans un second rôle” pour son rôle de Ziva David dans “NCIS” aux Imagen Awards (qui récompensent les personnalités des médias d'origine latino).
En 2008, elle décroche deux nouvelles nominations pour son interprétation de Ziva dans NCIS: elle est en effet nommé aux ALMA Awards, dans la catégorie “Meilleure actrice dans une série dramatique” et aux Imagen Awards, dans la catégorie “Meilleure actrice dans un second rôle”, award qu'elle avait gagné deux ans plus tôt.
