Родился 13 октября 1959 года в Тбилиси в курдской семье капитана милиции и библиотекарши. Родители умерли, когда Зелимхану было 10 лет. По словам Муцоева, с этого времени жил самостоятельно вместе со своими младшими братом Амирханом и сестрой, работал.
Окончив школу, работал на стройке водителем самосвала. Проходил службу в СА с 1979 по 1981 год.
Окончил Волгоградский инженерно-строительный институт (заочное отделение факультета экономики и организации строительства) в 1989 году. В 1987?1988 годах открыл хозрасчетное швейное предприятие. Первая продукция — куртки-пуховики. Предприятие стало разрастаться, появились филиалы на Украине, в Москве, в Армении. Переехал в Москву, чтобы возглавить Ассоциацию внешнеэкономических связей малых и средних предприятий СССР, созданную совместно с партнерами.
С 1994 по 1995 годы был директором ТОО "Внешнеэкономическая фирма «Амир».
С 1995 по 1998 годы — генеральный директор ЗАО «Амир-Импэкс».
С 1998 года — председатель Наблюдательного совета ОАО «Первоуральский новотрубный завод».
Перед избранием в Государственную Думу РФ являлся генеральным директором ЗАО «Проминкор», председателем наблюдательного совета ОАО «Первоуральский новотрубный завод» (Свердловская область).
В 1999 году избран депутатом Государственной Думы РФ по Первоуральскому одномандатному избирательному округу № 166 Свердловской области, по тому же округу был избран в 2003 году. В Государственной Думе РФ третьего созыва был членом группы «Народный депутат», членом Комитета по промышленности, строительству и наукоемким технологиям; в Государственной Думе РФ четвертого созыва был членом фракции «Единая Россия», заместителем председателя Комитета по международным делам.
2 декабря 2007 года избран депутатом Государственной Думы РФ пятого созыва в составе федерального списка кандидатов, выдвинутого Всероссийской политической партией «Единая Россия» (пятый номер в списке региональной группы 69: Свердловская область), заняв тот же пост заместителя председателя Комитета по международным делам.
Член Партии «Единая Россия» с мая 2005 года, партбилет № 19202654.
Владеет семью иностранными языками: английским, турецким, фарси, курдским (диалект курманджи), грузинским, армянским, азербайджанским. Также может объясняться на кубанаи (язык горских евреев, диалект города Куба).
Проживает в Москве.
Дети — Амиран и Алик — занимаются бизнесом.