Посещала школы Oakwood School и The Los Angeles County High School, в последней она специализировалась по театру и актерскому мастерству. Дойч является дочерью актрисы Лиа Томпсон и кинорежиссёра Говард Дойч.
Карьера Зои Дойч началась в 2010 году, она появилась в сериале Всё тип-топ, или Жизнь на борту на телеканале Disney, там она играла Майю Беннетт, девушку в которую влюбился Зак Мартин.
В 2011 году она присоединилась к актерскому составу сериала Двойник, транслируемого по каналу The CW, где она играет роль Джульет Мартин — падчерицы главной героини Шивон Мартин/Бриджет Кели (Сара Мишель Геллар). В этом же году она появилась в одном эпизоде тв-шоу Морская полиция: Спецотдел — Последняя оценка («One Last Score» 17-я серия 8-го сезона/179-й эпизод), а также в эпизоде (Девушка в синей маске — «The Girl In The Blue Mask») спин-оффа телесериала Мыслить как преступник — Мыслить как преступник: Подозрительное поведение. Зоя Дойч также сыграла роль Уиллоу Тернер в телевизионном фильме Марка Черри Аллилуйя и роль Ланы Марони в фильме Майор Капкейк/Чашка и пирог.