Zooey es hija del cinematógrafo y director Caleb Deschanel con la actriz Mary Jo Deschanel. Su hermana Emily Deschanel también es actriz, protagonista de la serie Bones.

Debutó en el cine con la cinta Mumford (1999), dirigida por Lawrence Kasdan, y logró la fama con su papel la recordada película de Cameron Crowe: Casi famosos (2000).

También ha demostrado dotes en el campo musical con She & Him, dúo con M. Ward. Actualmente se puede disfrutar de su carisma en la serie de Fox New Girl.

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