Зои Фрэнсис Томпсон Дойч родилась 10 ноября 1994 года в городе Лос-Анджелес, Соединенные Штаты Америки. Выросла в творческой семье: отец, режиссер Говард Дойч; мать, актриса Лиа Томпсон, прославилась благодаря роли Лоррейн Бейнс в трилогии «Назад в будущее».
Зои пошли по стопам родителей, но посвятила себя драматическому искусству. С детства увлекалась хореографией: танцевала балет, джаз-модерн и хип-хоп. Окончила среднюю школу и школу искусств в городе Лос-Анджелес. Там же состоялся ее дебют на сцене местного молодежного театра.
В 2010 году получила роль Майи, любимой девушки Зака Мартина, в многосерийном проекте телекомпании Disney «Все тип-топ, или Жизнь на палубе». В следующем году сыграла Джульет Мартин в криминальном триллере «Двойник» на телеканале The CW. Также появилась в эпизоде сериала «Мыслить как преступник: Поведение подозреваемого и снялась в комедии «Майор Капкейк» в компании матери и сестры.
В феврале 2013 года стало известно, что Зои предстанет в образе главной героини экранизации серии книг «Академия вампиров». Актриса исполнила роль Розмари, юной представительницы вампирской расы и ученицы вампирской академии в самом центре Монтаны. Затем появилась в фантастической драме «Прекрасные создания» и получила роль в комедии «Дедушка легкого поведения».
Актриса в 2017 году снялась в клипе Эда Ширана «Perfect», комедии «Почему он?» и фильме «За пропастью во ржи».