Её отец - Алексей Фёдоров - был рабочим-металлистом на одном из заводов.

Похоронена в Москве на Ваганьковском кладбище (25 участок).

В 1945 году Фёдорова познакомилась с американским дипломатом Джоном Тейтом, от которого в январе 1946 года родила дочь Викторию (Тейт к тому времени уже покинул СССР). Пытаясь скрыть факт рождения ребенка от иностранца, актриса спешно вышла замуж за композитора Александра Рязанова, с оркестром которого выступала в начале 40-х.

Заслуженная артистка РСФСР (1965).

В 1976 году актрисе разрешили побывать в США, где она снова встретилась с Джоном Тейтом. После смерти Тейта в 1978 году ещё дважды приезжала в США к дочери (эмигрировавшей в 1975 году), а затем начала собирать документы для выезда туда на постоянное место жительства.

Однако в конце 1946 года Зоя Фёдорова все-таки была арестована и через год приговорена к 25 годам лишения свободы за шпионаж. На свободу она вышла только в 1955 году, после начала массовой реабилитации осужденных по политическим статьям, и практически сразу вернулась в кино.

11 декабря 1981 года после 14.00 Зоя Фёдорова была зверски убита выстрелом в затылок в своей трёхкомнатной квартире № 243 дома 4/2 по Кутузовскому проспекту. Убийство до сих пор не раскрыто. Среди его возможных мотивов называют предполагаемую причастность актрисы к секретным операциям КГБ и её связь с так называемой «бриллиантовой мафией», состоявшей в основном из родственников высокопоставленных советских чиновников и занимавшейся скупкой и перепродажей драгоценностей и антиквариата.