Petite fille d'Elia Kazan, célèbre cinéaste et co-fondateur du célèbre Actors' Studio, Zoe Kazan est issue d'une famille de scénaristes et évolue dès son plus jeune âge dans un milieu artistique très marqué. Elle suit ses études à la prestigieuse université de Yale où elle décroche son diplôme de théâtre en 2005 et fait ses premiers pas sur les planches l'année suivante dans une production off-Broadway. Par la suite, la comédienne fera des allers et retours réguliers entre la scène et le grand écran et continuera de s'illustrer dans diverses pièces, notamment sous la direction d'Ethan Hawke. Elle fera même ses débuts à Broadway dans Come Back, Little Sheba avant d'enchaîner sur une adaptation de La Mouette d'Anton Tchekhov.

Au cinéma, Zoe tient le rôle-titre d'un film resté confidentiel, Swordswallowers and Thin Men (2003), puis décroche en 2007 un petit rôle dans La Famille Savage aux côtés de Philip Seymour Hoffman. Sa carrière est désormais lancée, puisque l'année suivante, elle est à l'affiche des Noces rebelles, drame de Sam Mendes très plébiscité par la critique. Rapidement, Zoe Kazan s'impose comme une nouvelle figure du cinéma indépendant : parallèlement à ses activités de dramaturge, elle continue sa progression dans le milieu du cinéma et donne la réplique à Michelle Williams dans le western indé La Dernière Piste, intègre le casting de la comédie Happythankyoumoreplease, et fait même des apparitions récurrentes dans la série décalée Bored To Death avec Jason Schwartzman.

En 2012, Zoe coiffe la double casquette d'actrice principale et de scénariste pour Jonathan Dayton et Valerie Faris, duo qui a donné un nouveau souffle aux petites productions hollywoodiennes en réalisant en 2006 la comédie désormais culte Little Miss Sunshine. Cette fois, les deux cinéastes mettent leur talent au service de Elle s'appelle Ruby, une histoire farfelue qui retrace les pérégrinations d'un écrivain dont l'héroïne prend vie. Pour l'occasion, Zoe Kazan partage la vedette avec le très prometteur Paul Dano, son partenaire à l'écran comme à la ville. Elle poursuit avec la romance Et (beaucoup) plus si affinités (2013), le fantastique In Your Eyes (2014), l'horrifique The Monster (2016), la comédie dramatique The Big Sick (2017), le western La Ballade de Buster Scruggs (2018) et le drame Un hiver à New York (2019).

Parallèlement, la comédienne est active côté petite lucarne, comme en témoignent ses prestations dans les séries The Deuce, The Plot Against America et Clickbait. En 2021, elle interprète l'une des deux journalistes ayant révélé les agissemetns de Harvey Weinstein dans She Said, le premier long métrage à revenir pleinement sur l'enquête et à citer ouvertement le nom du producteur.