Зои Дойч родилась в семье актрисы Лиа Томпсон и кинорежиссёра Ховарда Дойча. У Зои есть сестра, актриса Мэделин Дойч. Посещала школы Oakwood School и The Los Angeles County High School, где проходила обучение актёрскому мастерству.
Карьера Дойч началась в 2010 году, когда она появилась в сериале «Всё тип-топ, или Жизнь на борту» на телеканале Disney, где исполнила роль Майи Беннетт, девушки, в которую влюбился Зак Мартин.
В 2011 году она присоединилась к актёрскому составу сериала «Двойник», транслируемого по каналу The CW Television Network, где исполнила роль Джульет Мартин — падчерицы главной героини Шиван Мартин (Сара Мишель Геллар). В этом же году она появилась в одном эпизоде тв-шоу «Морская полиция: Спецотдел» — «Последняя оценка» (One Last Score, 17-я серия 8-го сезона/179-й эпизод), а также в эпизоде (Девушка в синей маске — The Girl In The Blue Mask) спин-оффа телесериала «Мыслить как преступник» — «Мыслить как преступник: Поведение подозреваемого». Дойч также сыграла роль Уиллоу Тернёр в телевизионном фильме Марка Черри «Аллилуйя».
В 2013 году вышел фильм «Прекрасные создания», где Дойч исполнила роль Эмили Ашер. В феврале 2013 года стало известно, что актриса выбрана на роль Розмари Хэзевей в экранизацию серии романов «Академия вампиров» американской писательницы Райчел Мид. 17 декабря 2016 года в США состоялась премьера комедийного художественного фильма «Почему он?», в котором Зои сыграла роль Стефани Флеминг. Также в январе 2016 года в прокат был выпущен фильм с её участием под названием «Дедушка лёгкого поведения».
В марте 2017 года вышел фильм «Матрица времени», где Зои сыграла главную роль. Он основан на романе Лорен Оливер «Прежде чем я упаду».
В 2017 году снялась в клипе Эда Ширана «Perfect».
С 2011 года Зои Дойч встречалась с Эваном Джогиа, с которым вместе снялась в клипе на песню Opium группы The New Division. Пара распалась в октябре 2016 года. С 2021 года Дойч состоит в отношениях с актёром и комиком Джимми Татро. В сентябре 2025 года они объявили о своей помолвке.
