Zooey est une enfant du cinéma. Fille du chef-opérateur Caleb Deschanel, nommé plusieurs fois aux Oscars, et de l'actrice Mary Jo Deschanel, connue pour avoir joué dans la série Twin Peaks, Zooey est la soeur cadette de l'actrice Emily Deschanel, qui incarne le rôle principal de la série Bones. Son grand-père paternel était français, originaire de Lyon dans le département du Rhône où elle a encore de la famille. Elle est née à Los Angeles, Californie (États-Unis), mais passa une partie de son enfance à suivre son père dans les différents pays où ce dernier travaillait.
Elle fut scolarisée au Crossroads School, à Santa Monica (Californie), où elle devint l'amie de Jake Gyllenhaal et de Kate Hudson également scolarisés dans cette école privée.
Elle a suivi les cours du French Woods Festival of the Performing Arts, un programme d'arts pour élite dans un camp d'été situé à New York, ainsi que de la Northwestern University, université prestigieuse, avant d'abandonner après sept mois pour poursuivre sa carrière d'actrice.
La nouvelle de J. D. Salinger, Franny and Zooey, aurait inspiré ses parents à choisir ce prénom.
Elle entame sa carrière d'actrice en 1998 à la télévision avec une participation dans la série Les Dessous de Veronica, suivi de débuts au cinéma l'année suivante dans le film Mumford. Mais c'est en 2000 qu'elle se fait remarquer en incarnant la soeur du personnage principal masculin dans Presque célèbre, réalisé par Cameron Crowe. Bien que le film n'ait pas rencontré le succès commercial espéré, le film obtient les éloges de la critique.
Elle enchaîne les films comme Manic, The Good Girl et
Abandon. De plus, en 2002, le New York Times signale qu'elle fait partie des jeunes comédiennes les plus demandées et le Los Angeles Times, en 2003, écrit qu'elle est devenu un stéréotype « reconnaissable par son humour pince-sans-rire, sardonique et pour subtiliser des scènes par sa performance » dans des films où elle incarne le meilleur ami du protagoniste, bien qu'elle soit opposé à ce stéréotype.
Après une participation dans la série Frasier, elle obtient, en 2003, pour la première fois un rôle principal dans le drame All the Real Girls, réalisé par David Gordon Green. Sa prestation lui vaut une nomination à l'Independent Spirit Award de la Meilleure actrice. La même année, elle obtient son premier succès public dans le film de comédie
Elfe, où elle partage la vedette avec Will Ferrell.
Devenue une actrice reconnue, elle participe à plusieurs productions cinématographiques diverses : la comédie de science-fiction H2G2 : le Guide du voyageur galactique, adaptation du livre éponyme de Douglas Adams où elle prête ses traits au personnage de Trillian, le drame Winter Passing, où elle incarne une jeune femme retournant dans la maison familial. Pour ce film, elle partage la vedette avec Ed Harris et Will Ferrell, qu'elle retrouve après Elfe.
Puis elle participe à la comédie sentimentale Playboy à saisir au côtés de Matthew McConaughey, Sarah Jessica Parker, Justin Bartha et Bradley Cooper. Bien que le film fut éreinté par la critique, seule la prestation de Zooey est saluée par la critique,, et dans le western dans L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford, réalisé par Andrew Dominik, où elle partage la vedette avec Casey Affleck et Brad Pitt.
Entre-temps, elle apparaît à la télévision dans la mini-série Deux princesses pour un royaume, prête sa voix au personnage de Mary, la fille de Cletus dans Les Simpson et de Lani dans Les Rois de la glisse. De plus, elle apparaît dans le film Le Secret de Terabithia.
En 2007, elle participe en guest-star à la série Weeds, diffusé sur Showtime, durant quelques épisodes.
En 2008, elle joue le rôle de Alma Moore dans le thriller Phénomènes, réalisé par M. Night Shyamalan, où elle est l'épouse de Mark Wahlberg et d'Allison dans la comédie Yes Man, aux côtés de Jim Carrey et Bradley Cooper.
Incarnant les rôles principaux des films 500 jours ensemble et Gigantic, Zooey Deschanel est alors considérée comme une nouvelle icône du cinéma indépendant américain.
En 2010, elle retrouve pour la troisième fois Will Ferrell pour Drunk History, segment de la série Funny or Die Presents....
En 2011, elle fait partie de la distribution de la comédie Your Highness, de David Gordon Green, qu'elle retrouve après All the Real Girls.
En plus de sa carrière d'actrice, elle est chanteuse aux côtés de Matt Ward dans le duo She & Him, groupe américain Indie folk très célèbre. Le premier album, Volume One, sort en 2008, accompagné du single Why Do You Let Me Stay Here?. La chanson sera utilisée pour la promo de (500) Days of Summer en 2009.
En 2010, elle sort son deuxième album, Volume Two, toujours dans le groupe She & Him. Deux singles en sont extraits : In the Sun et Thieves.
Elle a également participé à la bande originale de Yes Man sous le nom Munchausen by Proxy (groupe musical fictif), utilisant la Keytar et le synthétiseur.
Le 19 septembre 2009, Zooey Deschanel épouse Benjamin Gibbard, membre du groupe The Postal Service et chanteur du groupe Death Cab for Cutie.