Fille du célèbre réalisateur de polars Olivier Marchal et de la comédienne Catherine Marchal, Zoé Marchal grandit dans un environnement artistique aux côtés de ses trois frères et sœurs : Léa, Ninon et Basile. ​Elle débute sa carrière en 2014 avec le téléfilm Meurtres à Étretat, puis se fait remarquer en 2015 dans la série Disparue, où elle incarne Chris Morel. La même année, elle joue dans la comédie Lolo de Julie Delpy.​

En 2016, Zoé apparaît dans la série d'anticipation Section Zéro, réalisée par son père. Entre 2018 et 2019, elle interprète Ingrid Spielman dans la série Skam France, rôle qui lui apporte une reconnaissance auprès du jeune public. Elle continue d'enrichir sa filmographie avec des rôles variés. En 2020, elle rejoint la série Validé de Franck Gastambide. En 2022, elle joue dans le thriller Overdose de son père. ​

En 2023, Zoé Marchal incarne Stéphanie, la fille ainée de Bernard Tapie, dans la série Tapie, diffusée sur Netflix, et tient le rôle principal dans la comédie Nouveaux riches, où elle se transforme physiquement pour le personnage. ​Parallèlement, elle se produit sur scène. En 2024, l'actrice joue dans la pièce Michetonneuse, mise en scène par Vincent Cappello, au Théâtre Lepic puis à l'Apollo Théâtre à Paris. ​

En 2025, Zoé campe l'une des trois héroïnes du thriller Coka Chicas, dans lequel trois amies venant faire les mules dans une île des Caraïbes pour ramener de la drogue en France sont prises dans une spirale de violence. Cette même année, elle porte le Fast and Furious français Carjackers sur Amazon et incarne l'un des personnages centraux de la série de braquage Les Lionnes, aux côtés de Rebecca Marder.

Laurent Schenck