Nacida en Etropole, Bulgaria, Zvetelina Vassileva obtiene su diploma en la Academia Estatal de Musica en Sofia, donde se gradúa en interpretación vocal. Continúa su formación en Italia y gana el primer premio del X Concurso Internacional de Canto Tito Schipa en 1992 y en el Concurso Francesco Cilea en 1993.

Consigue también una beca del Teatro alla Scala que le permite estudiar con el famoso tenor, especialista en Verdi, Carlo Bergonzi. Además de su actividad operística, ha ofrecido conciertos en Rusia, Francia, Italia, Polonia, Bulgaria y los Países Bajos.

Su debut profesional fue en el Festival Internacional de Varna en el papel de Liu en Turandot. Posteriormente volvió a cantar el papel de Desdémona en Otello. Su debut en la Ópera de Sofia en el papel de Amelia de “Un Ballo in Maschera”, posteriormente en los papeles de Leonora de Il Trovatore, Elisabetta de Don Carlo, Rosalinde de Die Fledermaus, Violetta de La Traviata, La Princesa en Zelle’s Der Vogelhaendler, Micaela de Carmen y Desdemona en Otello.

Zvetelina Vassileva debutó en los Estados Unidos en la Opera de San Francisco en 1994 como Leonora de Il Trovatore, volviendo en la temporada siguiente con el rol de Gorislava en la premiere de la ópera “Ruslan y Lyudmila”.

En la temporada 1996/97 obtiene los elogios de la crítica internacional por su interpretación del rol de Sarka, en el Festival Wexford, (ópera de Zdenek Fibich pocas veces representada). Este éxito fue seguido de su debut con la Palm Beach Opera como Tatyana en “Eugene Onegin”, cerrando la temporada como Liu de “Turandot” en la Opera de Sofia.

Durante la temporada 1997/98 debuta en la Canadian Opera Company con el rol de Liu de “Turandot”. Después de este éxito, debuta en la Royal Opera House Covent Garden como Desdémona en la producción de Moshinski del “Otello” de Verdi y dos Tardes de Gala de Opera en el Royal Albert Hall. En enero de 1998 estuvo en Bélgica representando el papel de Judith en “El Castillo de Barba Azul” de Bartok con la Ópera Nacional de La Monnaine en Bruselas. Posteriormente regresa en la Opera de San Francisco, obteniendo un gran éxito en el papel de Drusilla de “L’Incoronazione di Poppea” de Monteverdi, dirigida por Christopher Alden.

La temporada 1998/99 vuelve de nuevo al Covent Garden de Londres como Marenka de “La novia vendida”, bajo la dirección escénica de Franceska Zambello y la dirección musical de Bernard Haitink, y como Tatyana en “Eugene Onegin” con la Michigan Opera (Detroit). Inmediatamente después canta Mimí en la Cincinnati Opera.

En la temporada 1999/2000 obtiene un gran éxito con el papel de Violetta en la producción de “La Traviata” con la Toronto Opera Company, siendo invitada de nuevo para interpretar el papel titular de “Juana de Arco” de Verdi en versión concierto.

En septiembre de 2001 canta de nuevo Leonora de "Il Trovatore” en La Maestranza de Sevilla y hace su debut en la Deutsche Staatsoper de Berlin como Mimi de “La Boheme”. Posteriormente canta Tatiana de "Evgueni Oneguin" en la Houston Grand Opera y Mimi en la Staatsoper de Berlin.

En la temporada 2000/01 interpreta Violetta en “La Traviata” en el Metropolitan Opera de Nueva York, Leonora, “Il Trovatore”, con la Royal Opera Glasgow y en el Edimburgh Opera Festival; Desdemona de “Otello” con la Canadian Opera Company y Yaroslavna de “Prince Igor” en el Houston Grand Opera.

Inicia la temporada 2001/2002 con la representación de Leonora en “Il Trovatore” en Santander. Seguidamente interpreta el mismo papel en la Royal Opera Glasgow y en la Royal Opera Edimburgh.

En la temporada 2002/03 destaca su interpretación de Leonora en “Il Trovatore” en la producción que inaugura la temporada del Metropolitan Opera de Nueva York, obteniendo un grandísimo éxito. Posteriormente viaja a Toronto para las representaciones de la Canadian Opera Company de “Un Ballo in Maschera” (Amelia) y realiza su debut con la Opera Pacific, California, de nuevo con el papel de Leonora en “Il Trovatore”.

La temporada 2003/04 se inicia con su vuelta al Metropolitan Opera con la producción de "La Boheme" (Mimí). Después continúa con la Opera Nacional de Grecia – Thessaloniki - como Amelia de “Un Ballo in Maschera” y representaciones de “Don Carlo”, “La Traviata”, “I Pagliacci” y la Misa de Réquiem de Verdi, en la Opera Nacional Búlgara en Sofia.

En la temporada 2004/05 interpreta a Liu de “Turandot” en la Opera Pacific, California y Desdemona de “Otello” en la Opera Nacional de Sofia.

La temporada 2005/06 comienza con las representaciones de “Eugene Onegin” con la Ópera de Kentucky y Tosca en la Ópera de Madison (USA). Realiza también una gira por Japón, interpretando de nuevo el papel de Desdémona de “Otello”. Destaca su interpretación de Leonora, “Il Trovatore”, en Messina en mayo del 2006 y Aida con la Gran Ópera de Houston durante marzo y abril de 2007.

En mayo y junio de 2008 canta de nuevo el papel de Aida en Cardiff con la Ópera Nacional de Welsh y Amelia de “Un Ballo in Maschera” en Japón.

Destacan de sus últimas actuaciones su interpretación de Aida en Bregenz y Desdémona de"Otello" en la inauguración de la temporada 2009/2010 de la òpera de San Francisco.