C 2001 года Дешанель несколько лет исполняла номер джаз-кабаре под названием «If All the Stars Were Pretty Babies» со своей подругой актрисой Самантой Шелтон. Она играет на клавишных, ударных, банджо и укулеле. Кроме того, она часто поёт в своих фильмах. В марте 2008 года Дешанель вместе с Мэттом Уордом выпустила альбом «Volume One» (записанный с Уордом под псевдонимом «She & Him»). В марте 2010 года они выпустили следующий альбом — «Volume Two». В сентябре 2009 года Дешанель вышла замуж за фронтмена «Death Cab for Cutie» Бена Гиббарда, но в декабре 2011 года она подала на развод.
Зоуи Дешанель родилась в Лос-Анджелесе в 1980 году в семье кинооператора Калеба Дешанеля и актрисы Мэри Джо Дешанель (урождённой Уэйр). Она французского (от деда по отцовской линии) и ирландского происхождения. Зоуи была названа в честь Зоуи Гласса — героя повести Джерома Сэлинджера «Фрэнни и Зоуи» (1961). Её старшая сестра, Эмили Дешанель, тоже актриса и снимается в сериале «Кости».
Дешанель жила в Лос-Анджелесе, но большую часть детства провела в разъездах, потому что её отец снимал фильмы на натуре; позже она говорила, что «ненавидила все разъезды… Я очень рада сейчас, что у меня есть опыт, но в то время я чувствовала себя несчастной из-за расставания с друзьями в Лос-Анджелесе и переездов в места, где не было моей любимой еды и привычных вещей». Она училась в частной подготовительной школе в Санта-Монике (в Калифорнии), где познакомилась с будущими коллегами Джейком Джилленхолом и Кейт Хадсон. В школе она занималась пением, планируя продолжить карьеру в музыкальном театре. Зоуи поступила в Северо-западный университет, но покинула его через семь месяцев ради карьеры актрисы.
Дешанель сыграла гостевую роль в сериале «Салон Вероники» (1998), после чего дебютировала в кино в 1999 году в комедии Лоуренса Кэздана «Доктор Мамфорд». Позднее в том же году она снялась (без пения) в клипе «She’s Got Issues» группы The Offspring. В своём ??втором фильме — полуавтобиографической музыкальной драме Кэмерона Кроу «Почти знаменит» (2000) — Дешанель сыграла Аниту Миллер, проблемную старшую сестру главного героя. Фильм получил похвалу критиков, но не имел кассового успеха. Она также снялась в клипе «Idiot Boyfriend» Джимми Фэллона.
Дешанель сыграла ряд второстепенных ролей в таких фильмах, как «Маниакальный» (2001) с Доном Чидлом и Джозефом Гордоном-Левиттом, «Хорошая девочка» (2002) с Дженнифер Энистон и Джейком Джилленхолом, «Покинутая» (2002) с Кэти Холмс, Бенджамином Брэттом и Мелани Лински, «Большие неприятности» (2002) с Тимом Алленом и Рене Руссо. В конце 2002 года издание The New York Times писало о Дешанель как об «одной из самых востребованных голливудских молодых звезд», а издание Los Angeles Times писало в начале 2003 года, что Дешанель стала узнаваемой благодаря своей «невозмутимой, сардонической и выделяющейся игре» лучшей подруги главного героя.
В 2002 году Дешанель также снялась в ситкоме «Фрейзьер», сыграв роль Джен, неподконтрольной кузины Роз, в эпизоде «Kissing Cousin» 10-го сезона. В том же году она появилась в фильме «Новичок», как Нора, гитарист в группе главного героя.
После отказа от нескольких второстепенных ролей Дешанель сыграла свою первую главную роль в фильме «Все настоящие девушки» (2003). Её исполнение роли Ноэль, сексуально любопытной 18-летней девственницы, у которой меняющий её жизнь роман с бесцельным 22-летним парнем, получил похвалу критиков, и она была номинирована на премию «Независимый дух» за лучшую женскую роль. Позднее в 2003 году Дешанель снялась в комедии «Эльф», сыграв роль невозмутимой сотрудницы универмага.
В 2004 году Дешанель снялась в фильме «Безумные похороны», а в 2005 году сыграла роль Триллиан в экранизации научно-фантастического романа Дугласа Адамса «Автостопом по галактике». Также в 2005 году она сыграла главную героиню Риз Холден в фильме «Проживая зиму». В 2006 году Дешанель сыграла роль невротической соседки Сары Джессики Паркер в фильме «Любовь и прочие неприятности» (2006). С 2006 по 2007 год она появилась в четырёх эпизодах сериала «Дурман», исполнив роль Кэт, причудливой бывшей девушки Энди Ботвина. В сентябре 2006 года журнал Variety сообщил, что Дешанель сыграет певицу 1960-х годов Дженис Джоплин в фильме «Евангелие от Дженис» Пенелопы Сфирис. Дешанель планировала спеть все песни Джоплин, и четыре месяца занималась пением, чтобы «приблизиться к смелому вокалу Джоплин». Фильм, начало съёмок которого было назначено на 13 ноября 2006 года, был отложен на неопределённый срок. Тем не менее, над проектом в настоящее время ведётся работа и он будет выпущен в 2012 году.
В 2007 году Дешанель появилась в двух детских фильмах: в «Мосте в Терабитию», в котором она сыграла причудливую учительницу музыки Джесси, и в анимационном фильме «Лови волну!», в котором она озвучила пингвиниху Лэни Аликаи. В том же году она сыграла Ди Джи — главную героиню в минисериале «Заколдованное королевство», преображении сказки Фрэнка Баума «Удивительный волшебник из страны Оз». Дешанель также озвучила детскую книгу «Players in Pigtails».
В апреле 2008 года она озвучила в мультсериале «Симпсоны» Мэри, дочь Клетуса, а в июне снялась в экологическом триллере М. Найта Шьямалана «Явление» с Марком Уолбергом. Также в 2008 году Дешанель снялась в фильме «Гигантик» и в комедии «Всегда говори „Да“» с Джимом Керри.
В 2009 году Дешанель исполнила главную роль в романтической комедийной мелодраме «500 дней лета» с Джозефом Гордоном-Левиттом. Этот фильм Марка Уэбба о развитии и конце отношений получил широкую похвалу и был номинирован на премию «Золотой глобус» как лучший фильм.
В том же году Дешанель исполнила гостевую роль в рождественском эпизоде сериала «Кости». Впервые снявшись вместе со своей сестрой Эмили, Зоуи сыграла Маргарет Уайтселл, дальнюю родственницу доктора Темперанс Бреннан (Эмили).
В 2011 году Дешанель сыграла Белладонну в фэнтезийной комедии «Храбрые перцем» вместе с Натали Портман и Джеймсом Франко. В настоящее время она играет главную роль в сериале «Новенькая». Дешанель также была ведущей передачи «Субботним вечером в прямом эфире» 11 февраля 2012 года.
Фильм «Новичок» (2002) стал первым из фильмов Дешанель, в котором она спела на экране. В фильме «Эльф» она поёт песню «Baby, It’s Cold Outside» с Уиллом Ферреллом в душе, а также поёт её в саундтреке с Леоном Редбоуном. Её фортепианное произведение «Bittersuite» было использовано в фильме «Проживая зиму» (2004), в котором она снялась вместе с Уиллом Ферреллом и Эдом Харрисом. В самом фильме Дешанель также исполнила песню «My Bonnie Lies over the Ocean».
В телемюзикле «Однажды на матрасе» (2005) Дешанель исполнила песни «An Opening for a Princess», «In a Little While», «Normandy» и «Yesterday I Loved You», в фильме «Как трусливый Роберт Форд убил Джесси Джеймса» (2007) — старую кабаре-песню «A Bird in a Gilded Cage», а в короткометражном фильме «В бреду» — песню «Hello, Dolly!». В фильме «Мост в Терабитию» (2007) Дешанель вместе со школьниками спела песни «Someday» и «Why Can’t We Be Friends?».
В фильме «Всегда говори „Да“» (2008) Дешанель исполнила несколько песен в фильме и в саундтреке к фильму, а также в роли певицы вымышленной группы «Munchausen by Proxy» спела песни «Uh-Huh» и «Sweet Ballad» вместе с сан-францисской электро-соул-панк-группой Von Iva.
В фильме «500 дней лета» (2009) Дешанель спела в дуэте She & Him кавер песни «Please, Please, Please Let Me Get What I Want» группы The Smiths, который также был включен в саундтрек фильма. Также она исполнила кавер песни «Sugar Town» Нэнси Синатры. Кроме того, режиссёр «500 дней лета» Марк Уэбб режиссировал клип Дешанель и Гордона-Левитта «Bank Dance» с песней She & Him «Why Do You Let Me Stay Here?».
Дешанель спела песню «The Greatest Most Beautiful Love Song in All the Land» вместе с Джеймсом Франко в фильме «Храбрые перцем» (2011). Она также исполнила ряд песен вместе с Мэттом Уордом для саундтрека мультфильма «Медвежонок Винни и его друзья» (2011). Дешанель написала и исполнила песню для темы своего нынешнего сериала «Новенькая».
В 2001 году Дешанель сформировала номер джаз-кабаре «If All the Stars Were Pretty Babies» с актрисой Самантой Шелтон. Пара выступала в Лос-Анджелесе.
В марте 2007 года Дешанель приняла участие в записи песен «Slowly» и «Ask Her to Dance» для альбома «Nighttiming» группы Coconut Records Джейсона Шварцмана.
В мае 2007 года Мэтт Уорд, который ранее выступал с Дешанель на сцене, сообщил, что уже заканчивает работу над её дебютным альбомом, в которой будут представлены песни, написанные Дешанель и спродюсированные им. Fox сообщил, что Дешанель и Уорд записываются под псевдонимом She & Him. Их первый альбом, под названием «Volume One», был выпущен Merge Records 18 марта 2008 года. 23 марта 2010 года был выпущен их второй альбом, «Volume Two». Весной 2010 года дуэт She & Him отправился на гастроли по США и Европе в поддержку альбома.
В 2009 году Дешанель записала песню «The Fabric of My Life» для рекламной кампании организации Cotton Incorporated.
В 2010 году Дешанель и Уорд приняли участие в записи альбома «The Place We Ran From» сайд-проекта Tired Pony члена группы Snow Patrol Гэри Лайтбоди. Дешанель участвовала в записи песен «Get On the Road» и «Point Me at Lost Islands», в то время как Уорд участвовал в записи песен «Held in the Arms of Your Words» и «That Silver Necklace».
Дешанель в дуэте She & Him записала песню «Oh Boy» для альбома-сборника «Rave On Buddy Holly», вышедшего в июне 2011 года. Дешанель также записала кавер песни «It’s So Easy» Бадди Холли для трибьют-альбома «Listen to Me: Buddy Holly», выпущенного 6 сентября 2011 года.
25 октября 2011 года Merge Records выпустил 12-песенный рождественский альбом She & Him «A Very She & Him Christmas».
В декабре 2008 года Дешанель обручилась с музыкантом Беном Гиббардом, вокалистом групп «The Postal Service» и «Death Cab for Cutie». Они поженились 19 сентября 2009 года недалеко от Сиэтла (штат Вашингтон). 1 ноября 2011 года после двух лет брака они объявили о разрыве. Дешанель 27 декабря 2011 года подала на развод, сославшись на непримиримые разногласия.
У Дешанель есть аллергия на яйца, молочные продукты и пшеничную клейковину. Ранее она придерживалась веганской диеты. Зоуи участвовала в восьмом эпизоде ??первого сезона телешоу «Top Chef Masters», в котором шеф-повара соревновались в приготовлении веганского ланча для её семьи и друзей без использования яиц, молочных продуктов, сои и клейковины. Однако в интервью журналу «Health» в марте 2010 года она сказала, что была вынуждена отказаться от диеты по медицинским показаниям. Дешанель также отметила, что у неё синдром дефицита внимания и она не может написать и абзаца, не встав четыре раза.