Появилась на свет Зоя Анатольевна в селе Осино-Гай под Тамбовом в 1923 году. Одни источники утверждают, что 13 сентября, иные, что 8 сентября. Как и у многих её сверстниц, жизнь Зои была тяжёлой.
Происходила она из семьи потомственных священников. Как и большая часть фамилий священников, фамилия её происходила от названия церкви (Церковь Козьмы и Демьяна), где проводил богослужение один из предков. Вскоре, в 1930 году, когда Зое исполнилось семь лет отроду, её семья перебралась из Сибири в Москву, куда, согласно воспоминаниям её матери Любови, опубликованным только в 1986 году, семья бежала из-за доноса на отца. Немалую помощь в этом оказала, опять же по свидетельству матери, её сестра Ольга, приходящаяся Зое тётей, работавшая в те годы в Наркомпросе (аналоге современных Министерства образования и Министерства культуры).
Устроились они на самом краю города в районе современного Коптево. Дедушка Петр Иоаннович, служивший священником в Осино-Гай, пойман и убит большевиками в порыве атеистических настроений в 1918 году (ещё до рождения Зои). Её отец Анатолий получал образование в духовной семинарии, но не закончил её и работал учителем. В 1933 году, когда Зое было десять лет, он скончался в результате осложнения после перенесённой им хирургической операции. Таким образом, Зоя со своим младшим братом Александром (впоследствии, также погибшим во время боевых действий) остались на попечении матери.
В школе Зоя отличалась хорошей успеваемостью. Её любимыми предметами стали история и литература. После школы планировала продолжить обучение в Литературном институте имени А.М. Горького, но, как известно, этим планам помешала война. В 1938 году, в возрасте 15 лет, была принята в комсомольцы, где была избрана групоргом. Однако, взаимоотношения с одноклассниками ухудшились и повторно на ту же должность избрана она не была. Зоя тяжело переживала этот момент. Ещё более суровое испытание ждало её впереди. В 1940 году она заболела менингитом. По тем временам, в связи со скудным арсеналом медицинских препаратов, менингит считался почти что смертельным заболеванием, но Зоя смогла выздороветь, хотя тяжёлое и утомительное лечение заняло почти целый год. Все это время школу она не посещала, но, проявив силу воли, смогла самостоятельно ликвидировать отставание в школьной программе.
31 октября 1941 года вместе с двумя тысячами комсомольцев-добровольцев Зоя Космодемьянская пришла на сборный пункт в кинотеатр «Колизей» откуда была направлена в школу диверсантов под руководством Артура Спрогиса (ВЧ 9903). После краткого периода обучения, ей, в составе отряда, было дано первое задание — постановка минных заграждений на дороге около Волоколамска, с целью замедлить наступление немцев на Москву, с которым её отряд успешно справился.
К сожалению, второе задание стало для неё последним.
В то время, по воспоминаниям Г.К. Жукова, положение советских войск было очень тяжёлым. Гитлеровцы, стремясь реализовать свою стратегию «молниеносной войны», полным ходом наступали на Москву, и наступление это во многом сдерживалось только ужасным состоянием дорог на фоне осенней слякоти. Вражеская техника банально вязла в грязи. Советские войска до Битвы за Москву по большей части лишь отступали. Но тут ударили очень сильные морозы, а немцы, рассчитывавшие на быструю победу и не имевшие даже зимнего обмундирования, оказались к такому повороту событий не готовы. Стремясь использовать это внезапное преимущество, 17 ноября 1941 Сталин отдал приказ №0428, суть которого сводилась к уничтожению зданий в захваченных немцами населённых пунктах, с целью создания для них невыносимых условий на фоне сильных морозов.
18 ноября отряд Зои Космодемьянской под командованием П.С. Проворова и отряд Б.С. Крайнова получил задание уничтожить примерно за неделю 10 населённых пунктов, в числе которых была и деревня Петрищево (сейчас 32 км до райцентра Рузы). Неподалеку от Петрищево около села Головкино обе группы были обстреляны противником. Выжили лишь Крайнов, Космодемьянская и Клубков, которые объединились под началом Крайнова. В 2 часа ночи 27 ноября им удалось поджечь в Петрищево три строения, в т.ч. узел связи. Также погибло 20 немецких лошадей. Однако, на обратном пути гитлеровцы поймали Клубкова, а Крайнов решил вернуться на советскую территорию в одиночку. Не встретя на точке сбора Крайнова, Зоя приняла решение продолжить уничтожение зданий в деревне, однако противником была организована охрана строений силами местных коллаборационистов. Благодаря одному из таких предателей, С.А.
Свиридову, при попытке поджога сарая была поймана Космодемьянская, за что он был отмечен немцами премией в виде стакана водки.
После задержания гитлеровцы жутким образом ее пытали, причём в издевательствах принимали участие две местные женщины Солина и Смирнова, чьи дома были уничтожены Зоей. Утром, 28 ноября в пол-одиннадцатого Зою Космодемьянскую повесили. Перед смертью она произнесла следующее: «Граждане! Не стойте, не смотрите. Надо помогать воевать Красной Армии, а за мою смерть наши товарищи отомстят немецким фашистам. Советский Союз непобедим и не будет побеждён. Немецкие солдаты! Пока не поздно, сдавайтесь в плен. Сколько нас ни вешайте, но всех не перевешаете, нас 170 миллионов». На момент казни ей исполнилось 18 лет.
Об этой трагической истории стало известно из статьи «Таня» (это был псевдоним Зои) в газете «Правда» от 27 января 1942 года за авторством Петра Лидова, который узнал об этом от присутствовавшего на казни старика, поражённого храбростью девушки и ее проникновенной речью. Вскоре удалось определить ее личность и уже 16 февраля того же года ей было присвоено звание Героя Советского Союза посмертно.
Также посмертно Зоя была награждена и орденом Ленина. Узнав об этой истории, И.В. Сталин приказал военнослужащих 332 полка вермахта при попытке сдачи в плен расстреливать без суда и следствия. После судебного разбирательства предатели Свиридов, Солина и Смирнова были расстреляны за сотрудничество с немцами. В настоящее время тело Зои Космодемьянской покоится на Новодевичьем кладбище в Москве. Впоследствии её именем назывались улицы, танки, суда, астероиды.
Ей посвящались многие произведения советской литературы и искусства, музеи.