Родилась 27 ноября 1930 г. в дер. Погляжье (Пеновский район Западной области РСФСР, ныне дер. Подлядье Пеновского района Тверской области) в семье Акима Андреевича и Александры Григорьевны Виноградовых. Детство провела с родителями в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
В январе 1942 г. ее отец, работавший токарем на Ленинградском металлическом заводе им. И. В. Сталина, скончался в блокадном городе. В апреле того же года Зоя Виноградова вместе с матерью покинула Ленинград по Дороге жизни. Они были эвакуированы в Краснодарский край, вторую половину 1942 г. прожили в оккупации. После освобождения Кубани в 1943 г. Зоя Виноградова начала участвовать в театральной самодеятельности в станице Темиргоевской на сцене местного Дома культуры.
Вернулась в Ленинград в августе 1945 г. Училась в архитектурном техникуме, но не окончила его. Работала чертежницей-копировщицей в конструкторском отделе завода "Знамя Труда". Участвовала в постановках кружков заводской самодеятельности, которыми руководили режиссер Наум Лившиц и концертмейстер Галина Каугер.
В 1949 г. Зоя Виноградова по рекомендации Галины Каугер прошла прослушивание в Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) государственном театре музыкальной комедии, после чего была принята во вспомогательную труппу. В 1954 г. окончила студию при этом театре. Певческий голос - колоратурное сопрано.
Зоя Виноградова по настоящее время является актрисой Санкт-Петербургского государственного театра музыкальной комедии. За годы работы участвовала в более чем 90 спектаклях. Среди ее ролей в опереттах: Мабель и Каролина (постановка "Мистер Икс" по "Принцессе цирка" Имре Кальмана), Эржи ("Цыганская любовь" Франца Легара), Любаша ("Севастопольский вальс" Константина Листова), Лида ("Восемнадцать" Василия Соловьева-Седого), Дуняша ("Бабий бунт" Евгения Птичкина), Нина Васильевна ("Мы хотим танцевать" Андрея Петрова), Порция ("Прекрасная Елена" Жака Оффенбаха), Мариэтта ("Баядера" Имре Кальмана), Стасси и княгиня Валлерсхейм ("Королева чардаша" Имре Кальмана), Изабелла ("Венские встречи" Иоганна Штрауса).
Выступала как эстрадная исполнительница, была участницей и ведущей ленинградских "Голубых огоньков".
Зоя Виноградова снималась в кино. Среди ее ролей: Мари Латуш в музыкальном фильме "Мистер Икс" по оперетте Имре Кальмана "Принцесса цирка" (1958, режиссер Юлий Хмельницкий), Анна Атуева в экранизации комедии Александра Сухово-Кобылина "Свадьба Кречинского" (1974, Владимир Воробьев и Давид Плоткин), Вера в драме "Двадцать дней без войны" по мотивам произведений Константина Симонова (1976, Алексей Герман).
Народная артистка РСФСР (1978).
Награждена орденами Трудового Красного Знамени (1971), Почета (2006), Дружбы (2016), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2021).
Лауреат театральной премии "Золотая маска" в почетной номинации "За выдающийся вклад в развитие театрального искусства" (2015).
Была дважды замужем. Первый супруг (брак в 1949-1956 гг.) - Леонид, военнослужащий. Вторым мужем с 1957 г. был народный артист РСФСР, актер Санкт-Петербургского государственного театра музыкальной комедии Виталий Копылов (1925-2012).