Après avoir fréquenté l'Ecole d'Arts Dramatiques Carnegie Mellon de Pittsburgh, où il obtient une licence de théâtre, Zachary Quinto devient mannequin. L'expérience est de courte durée, et il se lance vite dans la comédie au début des années 2000, multipliant les apparitions sur le petit écran. On le voit ainsi aux génériques des séries Les Médiums, Les Experts, Charmed ou encore 24 heures chrono. C'est en 2006 que les choses s'accélèrent franchement pour le jeune homme qui obtient, avec le rôle de l'inquiétant Sylar dans la série Heroes, la reconnaissance publique.

En 2009, Zachary Quinto, qui avait jusqu'à alors entièrement joué pour le petit écran, découvre le cinéma. Et de quelle manière, puisqu'il a le privilège d'être choisi pour incarner sur grand écran Spock, dans le Star Trek de J.J. Abrams, renouveau de la mythique saga de science-fiction. Il succède ainsi à Leonard Nimoy, incarnation du Capitaine Spock durant vingt-cinq ans.

Avant de retrouver l'Enterprise et son célèbre personnage aux oreilles pointues dans Star Trek Into Darkness (2013), Zachary Quinto quitte l'espace pour incarner un jeune et brillant trader dans Margin Call, aux côtés d'un casting de haut vol (Kevin Spacey, Paul Bettany, Jeremy Irons, etc.). L'acteur ne délaisse pour autant pas les plateaux de télévision et apparaît dans les deux premières saisons d'American Horror Story.

Après avoir campé le méchant dans le mal reçu Hitman : Agent 47 (2015) et pris part à la série au casting quatre étoiles The Slap, Zachary Quinto se glisse pour la troisième fois dans la peau du Capitaine Spock pour les besoins de Star Trek Sans limites (2016).