Народилася в Лос-Анджелесі, Каліфорнія, молодшою донькою кінооператора і режисера Калеба Дешанеля та акторки Мері Джо Дешанель (до шлюбу Вейр). Її дідусь по батькові був французом, родом з Уллін, Рона, а бабуся по батькові походила з родини квакерів; вона також має швейцарське, голландське, англійське, ірландське та інше французьке походження.[6]
Названа на честь Зої Гласс, головної героїні твору Дж. Д. Селінджера «Френні і Зуї» 1961 року. Її старша сестра, акторка Емілі Дешанель, зіграла головну роль у кримінальному комедійно-драматичному серіалі «Кістки» на каналі «Фокс».[7][8]
Особисте життя
У 2009–2012 була одружена з Беном Гіббардом, американським співаком, автором пісень, гітаристом інді-рок гурту Death Cab for Cutie та учасником дуету The Postal Service.
У 2015–2020 роках була одружена із продюсером Джейкобом Печеником, народила двох дітей — Елсі Оттер і Чарлі Вулф. Подружжя розійшлося у жовтні 2019 року,[9] офіційно розлучилося — в червні 2020-го,[10] акторка повернула дошлюбне прізвище Дешанель.[11]