Zooey Deschanel nasce il 17 gennaio 1980 a Los Angeles, da Caleb, noto direttore della fotografia di origini franco-americane, e dall'attrice Mary Jo Weir, di origini irlandesi. Anche sua sorella Emily lavora nel mondo dello spettacolo e trova il successo grazie alla serie TV Bones.
Zooey studia recitazione presso la Crossroads School per le Arti e le Scienze di Santa Monica. Poi si iscrive alla Northwestern University, ma presto la abbandona per seguire la sua carriera di attrice e cantante.
Il suo esordio come attrice è in televisione, nel 1997, in un episodio della sitcom L'Atelier di Veronica. Due anni dopo partecipa ad alcuni videoclip, tra cui "She's Got Issues" degli Offspring. Sempre nel 1999 c'è il suo debutto al cinema con Mumford, diretto da Lawrence Kasdan.
Seguono, nel 2000, Quasi famosi di Cameron Crowe, e nel 2002, Abandon - Misteriosi omicidi di Stephen Gaghan, Big Trouble - Una valigia piena di guai di Barry Sonnenfeld e Un ragazzo tutto nuovo di Ed Decter, in cui esibisce anche le proprie doti canore.
Nel 2003 conquista gli entusiasmi di pubblico e critica per All the Real Girls di David Gordon Green. Grazie a questo ruolo riceve anche una candidatura come migliore attrice agli Independent Spirit Award. Nello stesso anno, a fianco di Will Ferrell, compare in Elf di Jon Favreau, film per cui ha anche cantato alcuni brani.
È poi la volta di Guida galattica per autostoppisti (2005), per la regia di Garth Jennings e ispirato al romanzo di Douglas Adams, e ancora di A casa con i suoi (2006) di Tom Dey.
Il 2007 la vede impegnata in molti lavori tra cinema e Tv, di cui si ricordano il film fantasy Un ponte per Terabithia di Gabor Csupo e il western L'assassinio di Jesse James per mano del codardo Robert Ford, per la regia di Andrew Dominik e interpretato da Brad Pitt.
Nell'anno successivo è protagonista, al fianco di Mark Wahlberg, del film E venne il giorno di M. Night Shyamalan.
Agli inizi del 2008 ha inoltre pubblicato il suo primo album musicale, intitolato Volume One, in collaborazione con M. Ward.
Per quanto riguarda gli impegni futuri, Zooye è stata scritturata per il film biografico The Gospel According to Janis, che sarà diretto da Penelope Spheeris, in cui vestirà i panni della leggendaria Janis Joplin.
2014 Candidatura Miglior attrice (Serie TV - Musical o commedia) per New Girl
2013 Candidatura Miglior attrice (Serie TV - Musical o commedia) per New Girl
2012 Candidatura Miglior attrice (Serie TV - Musical o commedia) per New Girl
2015 Premio Migliore Attrice per una serie tv commedia per New Girl
2012 Candidatura Miglior attrice protagonista in una serie comica per New Girl
2015 Candidatura Miglior attrice in una serie comica
2014 Candidatura Miglior attrice in una serie comica
2013 Candidatura Miglior attrice in una serie comica
2014 Candidatura Miglior attrice (Serie TV - Musical o commedia) per New Girl
2011 Candidatura Miglior attrice (Serie TV - Musical o commedia) per New Girl
2023 Recitazione
2015 Recitazione
2011 Recitazione
2009 Recitazione
Zooey Deschanel farà il suo ingresso nella terza stagione di Physical nel ruolo di un'attrice che insidierà il primato del personaggio di Rose Byrne nel mondo del fitness anni '80.
Casey Affleck, Zooey Deschanel e Walton Goggins protagonisti del dramma musicale Dreamin' Wild, dedicato al duo musicale composto da Donnie e Joe Emerson.
Katy Perry ha ammesso di aver spesso sfruttato la sua somiglianza con Zooey Deschanel per entrare gratis nei club di Los Angeles quando ancora non era famosa e non aveva soldi.
500 giorni insieme, 10 anni dopo: Zooey Deschanel e Joseph Gordon-Levitt si ritrovano per parlare del film e riaccendere il dibattito sui loro personaggi.
Dopo la recente gravidanza, Zooey Deschanel tornerà per un'ultima stagione per accomiatarsi dai suoi fan.