Зоя Фёдорова родилась 21 декабря 1907 года в Петербурге, в семье рабочего и домохозяйки.

В 1918 году семья переехала в Москву, где отцу Зои предложили работу начальника паспортной службы Кремля. Ещё в школьные годы занималась в драмкружке и мечтала стать актрисой, однако по настоянию родителей после окончания школы пошла работать счётчицей в Госстрахе.

В 1928 году Зоя Фёдорова поступила в театральное училище, которым руководил Юрий Завадский, а после его закрытия продолжила учёбу в училище при московском Театре Революции, которое и закончила в 1934 году. В студенческие годы её мужем был Л. С. Вейцлер (1906—1965), позже известный театральный актёр, до конца жизни работавший в Театре Драмы и Комедии на Таганке. В 1934 году она вышла замуж за кинооператора В. А. Раппопорта, брак с которым продлился до 1939 года. После расставания с Раппопортом встречалась с лётчиком Иваном Клещёвым, который погиб в 1942 году.

Будучи студенткой, Фёдорова снялась в фильме «Встречный» (1932), однако её роль не вошла в окончательную версию картины. Поэтому официальным дебютом актрисы в кино считается фильм «Гармонь» (1934).

Всесоюзная популярность к Зое Фёдоровой пришла в 1936 году после исполнения одной из главных ролей в фильме «Подруги». Даже арест отца в 1938 году по сфабрикованному обвинению не смог повредить блестящей карьере актрисы: она продолжала играть главные роли в фильмах.

В 1945 году Фёдорова познакомилась с американским дипломатом Джексоном Тейтом, от которого 13 января 1946 года родила дочь Викторию (Тейт к тому времени уже покинул СССР). Пытаясь скрыть факт рождения ребёнка от иностранца, актриса спешно вышла замуж за композитора Александра Рязанова, с оркестром которого выступала в начале 1940-х годов.

Однако 27 декабря 1946 года Зоя Фёдорова была арестована и, после предварительного заключения на Лубянке и Лефортовской тюрьме, приговорена за «шпионаж» к 25 годам лагерей усиленного режима (с заменой на заключение во Владимирской тюрьме), конфискации имущества и ссылке для всей семьи. Сестра Зои Фёдоровой Александра была приговорена к пожизненной ссылке с детьми; сестра Мария — к 10 годам исправительно-трудовых лагерей с отбыванием срока на кирпичном заводе в Воркуте (умерла до окончания срока в 1952 году). С 1947 года её дочь Виктория Фёдорова жила в ссылке в селе Полудино на севере Казахстана вместе c тётей Александрой и её детьми Ниной и Юрой.

На свободу Зоя Фёдорова вышла только в 1955 году, после начала массовой реабилитации осуждённых по политическим статьям. 23 февраля 1955 года Зоя Фёдорова воссоединилась с дочерью Викторией и вскоре вернулась в кино.

В 1960-е и 1970-е годы она продолжала много сниматься, преимущественно в небольших характерных ролях.

В 1976 году актрисе разрешили побывать в США, где она снова встретилась с Джексоном Тейтом. После смерти Тейта в 1978 году ещё дважды приезжала в США к дочери (эмигрировавшей в 1975 году), а затем начала собирать документы для выезда туда на постоянное место жительства.

11 декабря 1981 года после 14:00 Зоя Фёдорова была убита выстрелом в затылок из немецкого пистолета Sauer в своей трёхкомнатной квартире № 243 дома 4/2 по Кутузовскому проспекту. Убийство до сих пор не раскрыто.

Похоронена Зоя Алексеевна на Ваганьковском кладбище.