Зои Дешанель родилась в семьей кинооператора Калеба Дешанеля и актрисы Мэри Джо Дешанель. Творческая семья постоянно находилась в разъездах, которые, как признается актриса, она ненавидела, ведь ей постоянно приходилось расставаться с друзьями и привычным образом жизни. Во время учебы в подготовительной школе в Санта-Монике (в Калифорнии), Дешанель познакомилась с будущими коллегами Джейком Джилленхолом и Кейт Хадсон. В то время Зои активно занималась пением и планировала продолжить карьеру в музыкальном театре.
Дешанель дебютировала в кино в 1999 году ролью в фильме «Доктор Мамфорд». Дальнейшими картинами при участии Зои стали фильмы «Почти знаменит», «Эльф», «Автостопом по галактике», «Любовь и прочие неприятности», «Мост в Терабитию» и «Явление». Настоящий успех пришел к актрисе после главной роли в фильме «Всегда говори «Да», в котором Дешанель снялась с Джимом Кэрри, и романтической комедии «500 дней лета».
Она играет на клавишных, ударных, банджо и укулеле, а также является автором и исполнителем собственных песен, некоторых из которых стали саундтреками к фильмам с ее участием: «Baby, It’s Cold Outside» к фильму «Эльф», «Sugar Town» к фильму «500 дней лета», «The Greatest Most Beautiful Love Song in All the Land» - композиция, записанная совместно с Джеймсом Франко к фильму «Храбрые перцем». Была замужем за музыкантом Беном Гиббардом, но после трех лет брака подала на развод, сославшись на непримиримые разногласия.
С 21 июня 2015 года Зови замужем во второй раз за продюсером Джейкобом Печеником. У супругов есть двое детей — дочь Элси Оттер и сын Чарли Вулф.
