Née dans une famille d'artistes (son père, Caleb Deschanel, est directeur de la photographie, et sa mère, Mary Jo Deschanel, s'est notamment illustrée en tant qu'actrice dans Twin Peaks), Zooey Deschanel débute sa carrière en 1998 dans la série Les Dessous de Veronica et décroche son premier rôle sur grand écran dans Mumford (1999). Elle quitte alors l'université pour se consacrer au métier d'acteur.

Sa partition dans Presque célèbre (2000) la révèle au grand public, et la notoriété de Zooey Deschanel commence alors à s'étendre. Au cours des années 2000, on peut la voir aux côtés de Jennifer Aniston et Jake Gyllenhaal dans The Good Girl (2002), dans le film de science-fiction déjanté H2G2 : le guide du voyageur galactique (2005), dans la comédie romantique Playboy à saisir (2006) ou encore dans L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford en 2007.

Excellente musicienne, ses talents de chanteuse lui permettent d'obtenir des rôles dans Elfe (2003) et dans le téléfilm Disney Once upon a mattress (2005). Elle devient un des personnages récurrents de la série Weeds et accède définitivement à la célébrité en 2008 lorsque M. Night Shyamalan lui confie le premier rôle féminin de son Phénomènes, dans lequel elle incarne la femme de Mark Wahlberg.

Parallèlement, Zooey Deschanel se lance dans la chanson et forme le groupe She & Him avec M. Ward, puis place la suite de sa carrière sous le signe du romantisme, que ce soit aux côtés de Jim Carrey (Yes Man), Joseph Gordon-Levitt ((500) jours ensemble) ou Paul Dano, avec qui elle partage l'affiche de Gigantic.