Зуи привыкла много путешествовать из-за особенностей работы ее отца. После окончания школы Искусств и Наук в пригороде Лос-Анджелеса, она направилась в Northwestern University. Она хотела получить степень в театре от очень уважаемого института, но тут же опустилась в течении первого года ее карьеры, когда ее начали приглашать в фильмы. В 1999 она сделала свой серебряный дебют в «Доктор Мамфорд» Лоуренса Касдана, где сыграла клиента провинциального психолога. В следующем году она сыграла стюардессу, сестру главного героя Вильяма Миллера в «Почти знаменит», где работала ее одноклассница по высшей школе Кейт Хадсон.
В 2002 она была замечена в комедиях «Большие неприятности», «Новичок», а также часто критикуемой картине «Хорошая девочка», с Джениффер Энистон в главной роли, и «Покинутая», с Кэти Холмс в главной роли.
В 2003 году она начала работу над хитом «Эльф». Даже Зуи сказала что она не ожидала что «Эльф» будет таким популярным. Во время релиза «Эльфа» Зуи услышала что проводятся пробы на «Автостопом по галактике» Хитчера. Очевидно, Зуи была одна из актеров кто прочитал книгу, по которой был снят фильм.
Она сказала что прочитала ее еще когда ей было 10 лет и призналась, что перед тем как идти на пробы прочитала еще раз книгу, для того что бы подготовиться. Зуи была утверждена.
В следующие года Зуи Дешанель начинает чаще сниматься: она играет главную роль в «Зима проходит» в 2005 году и снимается в «Любовь и прочие неприятности», «Живи свободным или умри» и «Хлопья» в 2006 году, а также озвучивает Лэни в мультфильму «Лови волну!» в 2007 году.
С 2007 года Зуи Дешанель снялась в большом количестве хороших фильмов: «В бреду», «Хлопья», «Мост в Терабитию», «Всегда говори “ДА”», «Хорошая жизнь», «Заколдованное королевство», «500 дней лета» и др.
Помимо известных фильмов Зуи очень часто снимается в Независимом кино, с которого и начала свою карьеру, и из-за этого ее прозвали Инди-королева. У Зуи также очень хороший голос. Она являлась членом различных джазовых банд и кабаре. С Вардом в сотрудничестве Зуи записывает альбом «Volume One» и называют свой дуэт She & Him.