Biographie :
Paly est née Varvara Alexandrovna Paley à Nijni Tagil, Russie (ex-URSS), d'Olga (née Drob) et d'Alexander Paley. Ses grands-pères ont servi dans l’Armée rouge soviétique pendant la Seconde Guerre mondiale. Elle était passionnée par la musique dès son enfance et jouait du piano dès l'âge de quatre ans. Sa famille a immigré en Israël quand elle avait neuf ans et elle a grandi à Tel Aviv, en Israël. Durant ses années d'école, son intérêt pour le théâtre l'a amenée à s'inscrire à l'école secondaire des arts Aleph de Tel Aviv-Yafo, en Israël, où elle a joué dans plusieurs productions de William Shakespeare et Bertolt Brecht, comme la pièce Antigone.
Paly a commencé une carrière de mannequin à l'âge de 17 ans. Elle est apparue comme cover girl dans plusieurs magazines, dont Maxim, Rolling Stone et GQ.
Elle a posé pour la couverture de l'édition latino-américaine d'Esquire en mai 2014.
En 2003, elle a commencé sa carrière d'actrice en jouant divers rôles à la télévision et est apparue dans le téléfilm israélien Zehirut Matzlema.
Paly est apparu dans les émissions télévisées How I Met Your Mother, The Starter Wife et le film d'horreur de 2008 The Ruins.
En 2013, Paly a tenu des rôles dans A Glimpse Inside the Mind of Charles Swan III de Roman Coppola avec Charlie Sheen, Jason Schwartzman et Bill Murray.
Elle a également joué un rôle de soutien dans Pain & Gain de Michael Bay, aux côtés de Mark Wahlberg et Dwayne Johnson.
Elle a également joué dans le thriller d'action Non-Stop de 2014, aux côtés de Liam Neeson.
Depuis 2015, Paly joue le rôle récurrent d'Anastasia 'Anna' Kolcheck dans le drame policier américain NCIS : Los Angeles.
Entre 2017 et 2018, elle a joué Hélène de Troie dans l'émission Arrowverse DC's Legends of Tomorrow.