Родилась в 1918 году в Кисловодске в семье местного землевладельца Владимира Амвросиевича Мыльцына.
В 1940 году окончила исторический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, в 1945 году — аспирантуру. Доктор исторических наук (с 1961 года).
С 1946 года работала на кафедре истории средних веков МГУ. В 1968 году была утверждена в звании профессора по специальности «всеобщая история».
С 1949 года — научный сотрудник сектора истории Византии Института истории АН СССР. В 1961—1968 годах возглавляла данный сектор. В 1968—1970 годах была заведующей сектором Института славяноведения и балканистики АН СССР.
В 1970-1980 годах — заведующая сектором Института всеобщей истории АН СССР, с 1980 по 1987 год возглавляла данный институт.
Возглавляла также ассоциацию византинистов СССР, а в 1976 году была избрана вице-президентом Международной ассоциации византинистов, являлась членом научных обществ, представляла советскую науку на конференциях и конгрессах.
В 1978—1983 годах — председатель Российского палестинского общества.
Иностранный член Саксонской академии наук в Лейпциге (ГДР, 1982).
Умерла в 1987 году в Москве. Похоронена на Ваганьковском кладбище.
Автор свыше 300 научных трудов, посвящённых разным аспектам истории Византии — экономике, аграрному и городскому строю, социально-политической эволюции этой страны, идейной и культурной жизни.
Инициатор, ответственный редактор и автор ряда коллективных трудов по истории Византии (История Византии: В 3 т. М., 1967; Культура Византии. Т.1. М., 1984; Т.2. М., 1989), ответственный редактор печатного органа советских византинистов — «Византийского временника». Как византинист участвовала в качестве одного из авторов в нескольких изданиях учебника по истории средних веков для университетов.
Будучи учёным широкого профиля, Зинаида Удальцова внесла большой вклад и в изучение истории средневековой Европы в целом. Ею много сделано для разработки ряда теоретических проблем европейского феодализма, в частности проблемы типологизации и развития феодализма в Европе. Под её руководством в качестве ответственного редактора и при её активном участии был опубликован коллективный труд Института истории АН СССР — трёхтомная «История крестьянства в Европе» (1985—1986). Являлась членом редколлегии сборника «Средние века».
До войны была несколько лет замужем за сокурсником по историческому факультету МГУ И. И. Удальцовым, впоследствии историком и дипломатом.
В эвакуации встретилась с М. А. Алпатовым, историком и писателем, ставшим её вторым мужем.
Их сын — лингвист В. М. Алпатов (род. в 1945 году).