Зої Дешанель народилася в сім'ї кінооператора Калеба Дешанеля та актриси Мері Джо Дешанель. Творча сім'я постійно перебувала у роз'їздах, які, як зізнається актриса, вона ненавиділа, адже їй постійно доводилося розлучатися з друзями та звичним способом життя. Під час навчання у підготовчій школі в Санта-Моніці (в Каліфорнії), Дешанель познайомилася з майбутніми колегами Джейком Джілленхолом та Кейт Хадсон. Тоді Зої активно займалася співом і планувала продовжити кар'єру в музичному театрі.
Дешанель дебютувала в кіно у 1999 році роллю у фільмі «Доктор Мамфорд». Подальшими картинами за участю Зої стали фільми «Майже знамениті», «Ельф», «Автостопом по галактиці», «Кохання та інші неприємності», «Міст у Терабітію» та «Явлення». Справжній успіх прийшов до актриси після головної ролі у фільмі «Завжди кажи «Так», в якому Дешанель знялася з Джимом Керрі, та романтичної комедії «500 днів літа».
Вона грає на клавішних, ударних, банджо та укулелі, а також є автором та виконавцем власних пісень, деяких з яких стали саундтреками до фільмів за її участю: «Baby, It’s Cold Outside» до фільму «Ельф», «Sugar Town» до фільму «500 днів літа», «The Greatest Most Beautiful Love Song in All the Land» - композиція, записана спільно з Джеймсом Франком до фільму «Хоробри перцем». Була одружена з музикантом Беном Гіббардом, але після трьох років шлюбу подала на розлучення, пославшись на непримиренні розбіжності.
З 21 червня 2015 року Зові одружена вдруге за продюсером Джейкобом Печеником. У подружжя є двоє дітей — дочка Елсі Оттер і син Чарлі Вулф.
