Родилась в селе Осино-Гай Тамбовской области (Россия). С 1930 г. жила в Москве. В Великую Отечественную войну в октябре 1941 г. десятиклассница Космодемьянская З. А. ушла добровольцем в Красную Армию, была направлена в разведывательно-диверсионную часть штаба Западного фронта. После короткого обучения группа, в которую она входила, 4 ноября 1941 г. была заброшена во вражеский тыл, где успешно выполнила задание по минированию шоссе в районе Волоколамска. При выполнении второго боевого задания во вражеском тылу 28 ноября 1941 г. Космодемьянская З. А. была схвачена в деревне Петрищево Московской области. После допроса и жестоких пыток была казнена гитлеровцами. Ее преданность родине, мужество и самоотверженность стали вдохновляющим примером в борьбе с захватчиками.

Награждена орденом Ленина.

Похоронена на Новодевичьем кладбище в Москве.

Именем Зои Космодемьянской в 1948 г. названа улица в Первомайском районе. На доме № 1 установлена мемориальная доска.

Боевое задание группы Зои Космодемьянской было таково: «сжечь 10 населённых пунктов: Анашкино, Грибцово, Петрищево, Усадково, Ильятино, Грачёво, Пушкино, Михайловское, Бугайлово, Коровино. Срок выполнения — неделя».

Космодемьянская З. А. успела исполнить только часть боевого приказа, организовав поджог трёх домов. Во время второй попытки поджога староста деревни Семён Агафонович Свиридов поднял тревогу, и Космодемьянская З. А. была арестована. После захвата в плен её пытали и казнили через повешение. Перед казнью Космодемьянская произнесла легендарную речь, призывая жителей села бороться с нацистами и не бояться смерти в этой борьбе.

16 февраля 1942 года Президиум Верховного Совета СССР удостоил Космодемьянскую звания Героя Советского Союза посмертно, за отвагу и геройство, проявленные в партизанской борьбе в тылу против немецких захватчиков.

Космодемьянская Зоя Анатольевна // Герои Советского Союза : краткий биографический словарь : [в 2 т.] / Министерство обороны СССР, Главное управление кадров, Институт военной истории, Центральный архив ; [А. А. Бабаков (руководитель) и др.] ; редколлегия : И. Н. Шкадов (председатель) [и др.]. — Москва : Воениздат, 1987. — Т. 1. — С. 743.

Космодемьянская Зоя Анатольевна // Их именами названы... Улицы Минска : энциклопедический справочник / [редколлегия : В. В. Андриевич (главный редактор) и др.]. — Минск : Беларуская Энцыклапедыя, 2014. — С. 201.

Космодемьянская Зоя Анатольевна // Минск : энциклопедический справочник / Белорусская Советская Энциклопедия ; [редколлегия : И. П. Шамякин (главный редактор) и др.]. — Изд. 2-е, дополненное и переработанное. — Минск : Белорусская Советская Энциклопедия, 1983. — С. 205.