В 1940 году Зоя Земнухова поступила в актерскую школу при киностудии «Ленфильм», в мастерскую Сергею Герасимова. С началом войны, в 1941 году, добровольцем ушла на фронт. Демобилизовавшись, поступила во ВГИК, находившийся в то время в эвакуации в Алма-Ате, который закончила уже в Москве в 1946 году. По окончании вошла в труппу Театра-студии киноактера, а затем, в 1954 году – в штат Киностудии имени Горького.

Обладая прекрасным голосом, Зоя Николаевна, решив развить это свое дарование, поступила на вокальное отделение Московского городского музыкального училища имени Ипполитова-Иванова, окончив которое в 1955 году, стала концертировать.

Впервые Зоя Земнухова снялась в кино ещё в подростковом возрасте – сыграла Леночку в короткометражном фильме «Паровоз без тормоза». Затем, начиная с 1943 года, периодически снималась во вторых ролях и эпизодах.

Зоя Николаевна работала на дубляже. Всего в её послужном списке более трёх сотен картин. Её голосом, к примеру, говорит Светлана Светличная в фильме «Бриллиантовая рука» и такие зарубежные актрисы, как Марина Влади («Колдунья»), Анна-Мария Ферреро («Война и мир»), Андреа Паризи («Большая прогулка») и др.

Была женой актёра Аркадия Толбузина, после смерти которого сменила свою фамилию на фамилию покойного мужа.

Дочь — актриса Ольга Бывшева (род. 21 января 1945 года).

Похоронена на Ваганьковском кладбище.