Ермольева — прототип доктора Татьяны Власенковой в трилогии В. А. Каверина «Открытая книга» и главной героини в пьесе Александра Липовского «На пороге тайны» — Световой.
Окончила с золотой медалью Мариинскую женскую гимназию в Новочеркасске и поступила на медицинский факультет Донского университета, который окончила в 1921 году.
Занималась изучением холеры. Открыла светящийся холероподобный вибрион, носящий её имя.
В 1942 г. впервые в СССР получила пенициллин (крустозин ВИЭМ), впоследствии активно участвовала в организации его промышленного производства в Советском Союзе.
Первый муж — известный вирусолог Л. А. Зильбер — был репрессирован в 1937 году. Хотя в это время они были разведены, З. В. Ермольева приложила много усилий к освобождению Л. А. Зильбера. Второй муж Ермольевой, микробиолог Алексей Александрович Захаров, также был арестован. Известно, что он умер в тюремной больнице в 1940 году.