Laureata in teatro alla prestigiosa università di Yale, Zoe ha il cinema nel sangue: suo nonno è il grande regista Elia Kazan e suo padre è uno sceneggiatore. Comincia la sua carriera di attrice sui palcoscenici di Broadway, recitando anche sotto la regia di Ethan Hawke in "Things we want"; nel 2008 divide il palco con Kristin Scott Thomas in "Il gabbiano" di Chechov. Contemporaneamente, la giovane Zoe muove i primi passi nel mondo del cinema, interpretando piccoli ruoli in film come La famiglia Savage e Il caso Thomas Crawford.

Carriera cinematografica
Nel 2007 è in Nella valle di Elah, l'anno successivo ha un ruolo di rilievo in Revolutionary Road, dove veste i panni della seducente amante di Leonardo DiCaprio. Nel 2009 abbandona i film drammatici per comparire in due commedie brillanti: È complicato, in cui interpreta la figlia di Meryl Streep, e 5 appuntamenti per farla innamorare. Recita poi al fianco di Robin Wright in The private lives of Pippa Lee; nel frattempo, Zoe si dedica alla sua passione per il teatro anche come autrice: ha recentemente ultimato una commedia tutta sua ed è tornata a Broadway per recitare in "A Behanding in Spokane", con Christopher Walken e Sam Rockwell.
Il 2012 la lancia nel firmamento delle stelle indipendenti col bel ruolo da protagonista nel film - da lei anche scritto - Ruby Sparks di Jonathan Dayton e Valerie Faris, nel quale recita accanto al compagno di vita Paul Dano.
Protagonista della commedia The Big Sick (2017), è tra gli interpreti de La ballata di Buster Scruggs dei Coen e nel 2019 è in The Kindness of Strangers. Nel 2022 recita nel film di Maria Schrader Anche io.