Babası Anatoly Kosmodemyansky teolojik bir seminer okudu ancak mezun olamadı. Daha sonra bir kütüphaneci olarak çalıştı. Annesi Lyubov Kosmodemyanskaya (Churikova yakınlarında), bir okul öğretmeniydi. 1925 yılında kardeşi Aleksandr Kosmodemyansky doğdu. Aleksandr da kız kardeşi Zoya'nın ölümünden sonra Sovyetler Birliği Kahramanı olmuştur. 1929 yılında ailesi zulüm korkusuyla Sibirya'ya taşındı. 1930 yılında da Moskova'ya taşındı.[5]
1938 yılında Komsomol'a katıldı. Ekim 1941'de, halen Moskova'da bir lise öğrencisi iken, bir partizan birimi için gönüllü oldu. Onu vazgeçirmeye çalışan annesine "Düşman çok yakın olduğunda ne yapabiliriz? Onlar buraya gelirse yaşamıma devam etmek mümkün olmaz." şeklinde yanıtladı. Zoya'nın partizan birimi olan 9903'e (Batı Cephesi Kurmayı) atandı. Ekim 1941'de birliğine katıldı ve bin kişiden sadece yarısı savaştan sağ çıktı. Naro-Fominsk yakınlarındaki Obukhovo köyünde diğer partizanlarla cepheye geçti ve Almanlar tarafından işgal edilen topraklara girdiler. 27 Kasım 1941 tarihinde bir Alman süvari alayının konuşlu olduğu Petrischevo köyünü yakmak için bir emir aldı.
Petrischevo köyünde Zoya, at ahırları ve evleri ateşe vermeyi başardı. Ancak, bir Rus işbirlikçisi onu fark etti ve Alman askerlerine bildirdi. Bu olaydan sonra Almanlar Zoya'yı yakaladı.[6][7] Tutuklandıktan sonra Kosmodemyanskaya soyuldu, dövüldü, sorgulandı ve 200 kırbaçla işkence gördü ve vücudu yakıldı[8] ancak herhangi bir bilgi vermeyi reddetti. Ertesi sabah, boynunda Rusça ve Almanca "Evlerin kundakçısı"' yazan bir tahta ile köyün merkezine doğru yürütüldü ve asıldı.
Asılarak infaz edilmeden önce son sözleri şöyle oldu:
"Hey, yoldaşlar! Neden bu kadar üzgün görünüyorsunuz. Cesur ol, savaş, Almanları yen, yak, onları yok et! Ölmekten korkmuyorum yoldaşlar. İnsanlar için ölmek mutluluktur!"
ve Almanlara:
"Siz şimdi beni asıyorsunuz ama yalnız değilim. Biz iki yüz milyon insanız. Hepimizi asamazsınız. İntikamımı alacaklar".
Asılma anından önce boynundaki iple şöyle dedi:[9][10]
Elveda yoldaşlar! Savaşın, korkmayın! Stalin bizimle! Stalin gelecek!
Almanlar Zoya'nun vücudunu birkaç hafta darağacında asılı bıraktılar. Göğüslerinden biri kesildi[8] ve vücuduna Almanlar veya işbirlikçileri tarafından saygısızlık edildi. Sonunda Sovyetler Ocak 1942'de bu toprakları ele geçirmesinden hemen önce toprağa verilmiştir.
