Après divers stages de théâtre et de comédie et deux années aux Beaux-Arts, Zoé Félix apparaît pour la première fois à l'écran en 1998 dans le drame Déjà mort d'Olivier Dahan, qui lui vaut le Prix d'interprétation au Festival Jeunes Comédiens de Béziers. Quelques courts métrages plus tard, l'actrice envoûte littéralement Michaël Youn dans la comédie La Beuze (2003).

Intégrant les castings des comédies chorales Le Coeur des hommes et 2 (Marc Esposito, 2003), où elle incarne la jeune compagne de Gérard Darmon, et L'Anniversaire (2005) de Diane Kurys, elle est l'atout charme de L'Incruste (2004) aux côtés de Titoff et de Frédéric Diefenthal. S'accordant le luxe de tourner avec parcimonie et de refuser de nombreux rôles qui la feraient passer pour une bimbo, Zoé Félix joue à nouveau sous la direction du réalisateur Marc Esposito dans l'adaptation de son propre roman Toute la beauté du monde (2005).

En 2009, la comédienne donne la réplique à Dany Boon et Kad Merad dans la comédie Bienvenue chez les Ch'tis du premier nommé et succède à Mélanie Doutey dans la 2ème saison de Clara Sheller. L'année d'après, elle fait partie des Captifs du premier film de Yann Gozlan.