Снималась в фильмах «Подруги» (1935), «Музыкальная история» (1940, Государственная премия СССР, 1941), «Фронтовые подруги» (1942, Государственная премия СССР), «Свадьба» (1944), «Пропало лето» (1962), «Свадьба в Малиновке» (1967), «Москва слезам не верит» (1979) и др. В декабре 1946 года была репрессирована (приговорена к 25 годам лишения свободы за шпионаж) и находилась в ссылке до февраля 1955 года. Была убита у себя дома при невыясненных обстоятельствах.
Зоя Фёдорова родилась 21 декабря 1909 года в Петербурге, в семье рабочего и домохозяйки. В 1918 году семья переехала в Москву, где отцу Зои предложили работу начальника паспортной службы Кремля. Ещё в школьные годы занималась в драмкружке и мечтала стать актрисой, однако по настоянию родителей после окончания школы пошла работать счетчицей в Госстрахе.
В 1928 году Зоя Фёдорова поступила в театральное училище, которым руководил Юрий Завадский, а после его закрытия продолжила учёбу в училище при московском Театре Революции, которое и закончила в 1934 году. В этом же году она вышла замуж за кинооператора В. А. Раппопорта, брак с которым продлился до 1939 года. До этого, в студенческие годы, её мужем был Л. С. Вейцлер (1906—1965), позже известный театральный актёр, до конца жизни работавший в Театре Драмы и Комедии на Таганке.
Будучи студенткой, Фёдорова снялась в фильме «Встречный» (1932), однако её роль не вошла в окончательную версию картины. Поэтому официальным дебютом актрисы в кино считается фильм «Гармонь» (1934).
Всесоюзная популярность к Зое Фёдоровой пришла в 1936 году после исполнения одной из главных ролей в фильме «Подруги». Даже арест отца в 1938 году по сфабрикованному обвинению не смог повредить блестящей карьере актрисы: она продолжала играть главные роли в фильмах.
В 1945 году Фёдорова познакомилась с американским дипломатом Джексоном Тейтом, от которого в январе 1946 года родила дочь Викторию (Тейт к тому времени уже покинул СССР). Пытаясь скрыть факт рождения ребенка от иностранца, актриса спешно вышла замуж за композитора Александра Рязанова, с оркестром которого выступала в начале 1940-х годов.
Однако 27 декабря 1946 года Зоя Фёдорова была арестована и, после предварительного заключения на Лубянке и Лефортовской тюрьме, приговорена за «шпионаж» к 25 годам лагерей усиленного режима (с заменой на заключение во Владимирской тюрьме), конфискации имущества и ссылке для всей семьи. По-видимому Зоя Фёдорова была арестована за отказ стать одной из наложниц Л. П. Берия. Сестра Зои Фёдоровой Александра была приговорена к пожизненной ссылке с детьми; сестра Мария — к 10 годам исправительно-трудовых лагерей с отбыванием срока на кирпичном заводе в Воркуте (умерла до окончания срока в 1952 году). С 1947 года её дочь Виктория Фёдорова жила в ссылке в селе Полудино на севере Казахстана вместе c тётей Александрой и её детьми Ниной и Юрой.
На свободу Зоя Фёдорова вышла только в 1955 году, после начала массовой реабилитации осужденных по политическим статьям. 23 февраля 1955 года Зоя Фёдорова воссоединилась с дочерью Викторией и вскоре вернулась в кино.
В 1960-е и 1970-е годы она продолжала много сниматься, преимущественно в небольших характерных ролях.
В 1976 году актрисе разрешили побывать в США, где она снова встретилась с Джексоном Тейтом. После смерти Тейта в 1978 году ещё дважды приезжала в США к дочери (эмигрировавшей в 1975 году), а затем начала собирать документы для выезда туда на постоянное место жительства.
11 декабря 1981 после 14.00 Зоя Фёдорова была убита выстрелом в затылок в своей трёхкомнатной квартире № 243 дома 4/2 по Кутузовскому проспекту. Убийство до сих пор не раскрыто.
Среди его возможных мотивов называют предполагаемую причастность актрисы к секретным операциям КГБ (ходили слухи о причастности КГБ к убийству) и её связь с так называемой «бриллиантовой мафией», состоявшей в основном из родственников высокопоставленных советских чиновников и занимавшейся скупкой и перепродажей драгоценностей и антиквариата.
Среди наиболее вероятных подозреваемых в убийстве был некто Анатолий Бец, одесский налётчик, который находился в розыске за ограбление вдовы писателя Алексея Толстого. Но Бец был убит в Грузии сотрудниками ГАИ, причём намеренно, и следствие забуксовало.
Похоронена Зоя Алексеевна на Ваганьковском кладбище.