Shay Mitchell kam am 10. April 1987 unter dem bürgerlichen Namen Shannon Ashley Mitchell im kanadischen Mississauga zur Welt. Sie hat philippinische, irisch-schottische und spanische Wurzeln.  Bereits als Kind hat sich Mitchell für die Schauspielerei interessiert und von einer Karriere im Filmgeschäft geträumt. Mit fünf Jahren nahm sie Tanzunterricht und nahm an diversen Tanzschulwettbewerben teil. 1997 zog sie mit ihrer Familie nach West Vancouver um, wo sie kurze Zeit darauf von einer internationalen Modelagentur auf einem Casting für Teenagermodels entdeckt wurde. Im Alter von achtzehn Jahren konnte Mitchell bereits eine Reihe von Modeljobs in Barcelona, Bangkok und Hong Kong vorweisen. Nach ihrem Highschoolabschluss an der 'West Vancouver Secondary School' nahm Mitchell Schauspielunterricht in Toronto. 2009 hatte sie ihre erste kleine Rolle in einer Episode der kanadischen Jugenserie Degrassi: The Next Generation und trat darüber hinaus in einigen Werbespots, u.a. für das Haarpflege-Label Pantene, auf. 2010 erhielt Mitchell weitere Rollen in TV-Sendungen wie der Polizeiserie Rookie Blue und der Disney XD-Serie Aaron Stone, in der sie in vier Episoden zu sehen war. Seit 2010 ist sie fester Bestandteil der ABC-Family-Serie Pretty Little Liars, in der sie die Rolle der Emily Fields übernimmt. 2011 unterzeichnete Mitchell einen Werbevertrag mit dem US-amerikanischen Konsumgüter-Konzern Procter & Gamble und fungierte daraufhin als Sprecherin für dessen Label Pantene. Im selben Jahr wurde sie für ihre schauspielerischen Leistungen mit dem 'Young Hollywood Award' ausgezeichnet. 2012 hatte Mitchell weitere Auftritte in TV-Shows, u.a. in der Serie Punk'd, in der sie sich selbst spielte, und der amerikanischen Musical-Comedy-Serie Glee. 2014 stand sie für den Kurzfilm Immediately Afterlife vor der Kamera. Ein Jahr später trat Mitchell in einer Episode der amerikanischen Reality-TV-Show Project Runway auf und veröffentlichte darüber hinaus in Zusammenarbeit mit Michaela Blaney und Valerie Frankel ihren Debütroman Bliss.

Privat war Shay Mitchell zwischen 2013 und 2014 mit dem Unternehmer Ryan Silverstein liiert.