Elle est la fille de l'actrice Lea Thompson et du réalisateur Howard Deutch. Elle est connue pour son rôle de Maya Benett, la petite amie de Zack Martin, dans la saison 3 de La Vie de croisière de Zack et Cody.
En 2011 elle apparaît dans le film Mayor Cupcake aux côtés de sa mère et de sa sœur. En 2012, Zoey Deutch a interprété Juliet Martin, la fille d'Andrew Martin (Ioan Gruffudd) dans la série Ringer avec Sarah Michelle Gellar. La série a été annulée par la chaine CW en mai 2012 après seulement une saison.
Elle sort avec l'acteur Avan Jogia, elle est aussi très proche de l'actrice et chanteuse Ariana Grande.
En mars 2014 elle est à l'affiche du film Vampire Academy aux côté de l'acteur russe Danila Kozlovsky.
