Родилась в селе Черкасском Вольского района Саратовской области. Русская.
Окончила семилетнюю школу. Работала на Вольском цементном заводе «Большевик».
В начале Великой Отечественной войны окончила краткосрочные курсы медицинских сестер и в конце ноября 1942 года добровольно ушла на фронт.
Сражалась в составе войск Сталинградского, Воронежского и Степного фронтов.
Первого августа 1943 года 214-й гвардейский полк получил приказ форсировать Северский Донец южнее Белгорода. Здесь, между селами Соломино и Топлинка, противник сосредоточил части двух пехотных дивизий и большое количество артиллерии.
Гитлеровцы занимали оборону на высотах правого берега, господствующих над окружающей местностью. Подступы к реке находились под прицельным артиллерийским и минометным огнем. Правый берег был густо заминирован. Однако гвардейцы в первый же день форсировали Северский Донец и после ожесточенного боя заняли небольшой плацдарм на правом берегу.
Переправа через реку и клочок земли на правобережье, занятый советскими воинами, находились под непрерывным огнем противника. На головы гвардейцев сыпались тысячи снарядов, сотни бомб. Но полк продолжал наступление.
Санинструктор Маресева в этих трудных условиях своевременно оказывала помощь раненым. Пренебрегая опасностью, она все время находилась на линии огня, ползком пробиралась к тяжело раненным, делала перевязки, выносила их в укрытия. А с наступлением темноты, когда на переднем крае затихала ружейно-пулеметная перестрелка, она переправляла раненых на левый берег реки.
На следующий день контратаки противника на участке 1-го батальона были особенно сильными и настойчивыми, но все они были отбиты с большими для него потерями. К исходу дня враг предпринял восьмую контратаку. При поддержке сильного огня артиллерии гитлеровцам удалось обойти левый фланг батальона. Оборонявшаяся здесь группа бойцов после продолжительного неравного боя стала отходить к реке. Это заметила Маресева. В её голове пронеслась тревожная мысль о судьбе раненых, которые в ожидании эвакуации на левый берег реки были укрыты в траншеях и блиндажах. С пистолетом в руке Зина побежала навстречу отступавшим бойцам и с возгласами: «Ни шагу назад!», «Вперед, за мной!» — заставила их остановиться, а затем последовать за ней в атаку.
Положение на угрожаемом участке было восстановлено. В жаркой схватке, которой руководила Маресева, было уничтожено более 150 гитлеровцев, захвачено 8 пулеметов, 2 миномета и 20 гранатометов.
После того как контратака была отбита, Зина продолжала перевязывать раненых и выносить их с поля боя.
К исходу 2 августа саперами через реку был построен пешеходный мост. По этому мостику Маресева под огнем противника всю ночь переправляла на левый берег Северного Донца раненых солдат и офицеров. К утру мостик был разбит артиллерией противника. Зина продолжала переправлять раненых на лодке. В одном из рейсов осколком разорвавшейся мины она была смертельно ранена и 6 августа 1943 года скончалась в госпитале.
За двое суток Маресева вместе с санитаром Бузыкановым вынесла с поля боя 64 раненых, 52 из них, с личным оружием, эвакуировала через реку.
Звание Героя Советского Союза Зинаиде Ивановне Маресевой присвоено посмертно 22 февраля 1944 года за отвагу и мужество, проявленные при форсировании реки Северский Донец.
Отважная патриотка была похоронена в с. Пятницкое Белгородской области.
В 1953 году на ее могиле установлен памятник.
Имя З. И. Маресевой присвоено одной из улиц с. Черкасского, проезду в п. Пятницкое Волоконовского р-на Белгородской обл, а также улице в г.Волгоград.
3 ноября 2011 года в селе Соломино, недалеко от места сражения, открыли памятный знак в честь героини. Памятник установили на пригорке близ нового моста через Белгородское водохранилище.