Di origini franco-irlandesi, Zooey Deschanel è figlia del direttore della fotografia Caleb Deschanel e dell’attrice Mary Jo Deschanel; ha una sorella maggiore, Emily, anche lei attrice. Le è stato dato il nome del personaggio maschile del romanzo di J. D. Salinger Franny e Zooey. Studia recitazione presso la “Crossroads School” di Santa Monica. Ha frequentato la Northwestern University abbandonando però gli studi dopo solo sette mesi per intraprendere definitivamente la carriera di attrice.
I primi approcci con il mondo dello spettacolo li ha partecipando ad alcuni videoclip: debutta infatti nel 1999 nel film Mumford. Nel 2000 interpreta la sorella ribelle di Patrick Fugit in Quasi famosi di Cameron Crowe, poi appare al fianco di Katie Holmes in Abandon – Misteriosi omicidi, Big Trouble – Una valigia piena di guai e Un ragazzo tutto nuovo dove si fa notare anche per le sue doti canore. Successivamente interpreta Tricia McMillan nella pellicola Guida galattica per autostoppisti ed è l’amica strampalata di Sarah Jessica Parker nella commedia sentimentale A casa con i suoi. Nel 2006 prende parte a quattro episodi della serie tv Weeds e al film Un ponte per Terabithia.
Nel 2007 recita in L’assassinio di Jesse James per mano del codardo Robert Ford, in seguito è co-protagonista al fianco di Mark Wahlberg in E venne il giorno del regista M. Night Shyamalan. Nel dicembre 2008 partecipa al fortunato film Yes Man affiancando Jim Carrey. Nel 2009 partecipa con il suo amico Joseph Gordon-Levitt alla commedia romantica (500) giorni insieme che, nonostante una partenza in sordina, sbanca i botteghini grazie ad un forte passaparola. Nello stesso anno ha interpretato Margaret Whitesell nell’episodio Babbo Natale e la bomba nella serie televisiva Bones, di cui la sorella Emily è la protagonista. Dal 2011 è la protagonista della pluripremiata serie televisiva New Girl, per la quale ottiene tre nomination ai Golden Globe per la miglior attrice in una serie commedia o musicale.