Родилась в семье учителей.
В 1929 - 1930 семья Космодемьянских проживала в Иркутской области, в селе Шиткино (ныне Тайшетский район). По свидетельству матери Зои, Любови Космодемьянской, опубликованному в 1986, они бежали в Сибирь, спасаясь от доноса.
В 1930 семья переехала в Москву. Член ВЛКСМ с 1938. Училась в 201-й средней школе Москвы.
31 октября 1941 Зоя в числе других комсомольцев-добровольцев была доставлена в диверсионную школу, став бойцом разведывательно-диверсионной части, официально носившей название «партизанской части 9903 штаба Западного фронта».
В конце ноября 1941 в деревне Петрищево при выполнении боевого задания была схвачена фашистами. Несмотря на чудовищные пытки и издевательства палачей, не выдала товарищей, не открыла своего настоящего имени, назвавшись Таней. 29 ноября 1941 была казнена.
16 февраля 1942 З.А. Космодемьянской посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.
Зоя Космодемьянская стала символом героизма советских граждан в Великой Отечественной войне. Её образ отражён в художественной литературе, публицистике, кинематографе, живописи, монументальном искусстве, музейных экспозициях. Её именем названы улицы многих городов СССР. На Минском шоссе близ деревни Петрищево ей поставлен памятник (скульпторы О. А. Иконников и В. А. Федоров).
С 1942 могила Зои Космодемьянской находится на Новодевичьем кладбище в Москве; на месте её первоначального захоронения в деревне Петрищево установлена мемориальная плита.