Родилась 13 сентября 1923 г. в селе Осиновые Гаи (Кирсановский уезд Тамбовской губернии, ныне село Осино-Гай Гавриловского района Тамбовской обл.) в семье Анатолия Петровича (1900-1933) и Любови Тимофеевны (1900-1978) Космодемьянских. Отец был заведующим библиотекой, мать работала учительницей. Дед по отцовской линии - Петр Козьмодемьянский - был священником Знаменской церкви с. Осиновые Гаи, был убит большевиками 27 августа 1918 г. Брат - Александр Космодемьянский (1925-1945) - старший лейтенант Красной армии, Герой Советского Союза - погиб под Кенигсбергом.
С 1930 г. Зоя Космодемьянская жила и училась в Москве, в октябре 1938 г. вступила в ВЛКСМ.
В сентябре 1941 г. пошла в десятый класс столичной школы №201, однако учебе помешала Великая Отечественная война.
В конце октября 1941 г. Зоя Космодемьянская добровольно записалась в подразделение, сформированное из комсомольцев Москвы и Подмосковья для проведения диверсий в тылу врага. 4 ноября того же года, после кратковременного обучения, в составе разведывательно-диверсионной группы была переброшена в район Волоколамска (Московская обл.).
Первое задание - минирование дороги в тылу противника - было выполнено отрядом с участием Зои Космодемьянской успешно. Кроме того, на счету группы разведчиков была ликвидация вражеского мотоциклиста, в сумке которого были обнаружены ценные штабные документы, включая топографические карты. 17 ноября 1941 г. был издан приказ Ставки Верховного Главнокомандования №428 "О создании специальных команд по разрушению и сжиганию населенных пунктов в тылу немецко-фашистских войск".
18 (по другим данным - 20) ноября две партизанские группы по десять человек в каждой (в состав одной из них входила Зоя Космодемьянская) получили задание в течение 5-7 дней заниматься диверсионной деятельностью в 10 населенных пунктах, в т. ч. в деревне Петрищево (Верейский район, ныне Рузский район Московской обл.). Отправившись на его выполнение вместе, обе группы попали под обстрел в 10 км от Петрищева, понесли потери и частично разделились. Остатки групп воссоединились под командованием комсомольца Бориса Крайнова. Ночью 27 ноября Зоя Космодемьянская, Борис Крайнов и Василий Клубков подожгли в Петрищеве три дома, в результате чего у немцев погибли 20 лошадей. После этого Крайнов, не дождавшись Космодемьянской и Клубкова в условленном месте встречи, вернулся к своим. Клубков был схвачен немцами и, по одной из версий, выдал Космодемьянскую. Зоя, разминувшись с товарищами, вновь направилась в Петрищево, чтобы продолжить выполнение задания.
28 ноября она была схвачена немцами, после чего подвергнута допросу и истязаниям. Несмотря на жестокие пытки, не назвала номер части, не выдала товарищей и не открыла своего настоящего имени, назвавшись Таней.
29 ноября на перекрестке дорог в центре Петрищева в присутствии местных жителей Зоя Космодемьянская была казнена через повешение в возрасте 18 лет. Фотосъемку расправы вел один из немецких солдат. По словам очевидца, перед казнью Зоя произнесла: "Товарищи, победа будет за нами. Немецкие солдаты, пока не поздно, сдавайтесь в плен", "Советский Союз непобедим и не будет побежден", "Сколько нас не вешайте, всех не перевешаете, нас 170 миллионов. Но за меня вам наши товарищи отомстят".
Тело партизанки был захоронено на окраине села лишь 1 января 1942 г.
14 января 1942 г. Петрищево было освобождено частями Красной армии. После этого в селе побывал военный корреспондент Петр Лидов, которому местные жители рассказали о подвиге партизанки. Эти сведения послужили основой для созданного Лидовым очерка "Таня", который был опубликован 27 января 1942 г. в газете "Правда" вместе со снимком казненной девушки, сделанным фоторепортером Сергеем Струнниковым во время процедуры опознания. Вечером того же дня его текст зачитали по Всесоюзному радио. Вскоре после этого московский горком ВЛКСМ создал комиссию для расследования всех обстоятельств, изложенных в очерке. 4 февраля личность Зои Космодемьянской была установлена. 16 февраля 1942 г. ей было посмертно присвоено звание Героя Советского Союза. Также она была посмертно награждена орденом Ленина.
18 февраля 1942 г. в статье "Кто была Таня" Петр Лидов назвал настоящее имя погибшей, установленное Московским комитетом комсомола, и привел ее биографические данные. Позднее в "Правде" был опубликован очерк Лидова "Пять немецких фотографий", который сопровождался фотоснимками казни Зои, найденными в вещах убитого немецкого фотографа.
7 мая 1942 г. Зоя Космодемьянская была перезахоронена на Новодевичьем кладбище Москвы.