Zoë Isabella Kravitz est née le 1^er décembre 1988 à Los Angeles dans la maison de ses parents, le chanteur Lenny Kravitz et l'actrice Lisa Bonet. Ses grands-parents paternels sont l'actrice américaine Roxie Roker et le réalisateur Sy Kravitz. Elle a des origines ukrainiennes, afro-américaines, haitiennes et bahaméennes.

Les parents de Zoë se sont mariés en 1987 et ont divorcé six ans plus tard, en 1993, lorsqu'elle avait cinq ans. Elle a vécu avec sa mère, dans la région de Topanga Canyon et déménage, ensuite, à l'âge de 11 ans, à Miami, souhaitant vivre avec son père et passant ses étés chez sa mère.

Zoë Kravitz a une demi-sœur plus jeune, Lola Iolani Momoa et un demi-frère, Nakoa Wolf Manakauapo Namakaeha Momoa, du remariage de sa mère avec l'acteur Jason Momoa. Son parrain est le producteur Bruce Cohen et sa marraine est l'actrice et chanteuse Cree Summer.

Zoë a vécu son enfance à l’abri des strass et des paillettes. Son père voulait qu’elle mène une vie normale. Mais elle a très vite été attirée par le monde du show-biz.

Elle est diplômée de la Miami Country Day School, en 2007. Elle étudie ensuite au conservatoire de New York mais abandonne au bout d'un an pour se consacrer à sa carrière dans le milieu du divertissement.

Elle a longtemps lutté contre l'anorexie et la boulimie, tout au long de ses études, et ce, jusqu’à ses 24 ans.

Elle se fait remarquer au cinéma par les productions À vif et Le Goût de la vie  avant d'accéder à une notoriété publique importante grâce à sa participation au blockbuster X-Men : Le Commencement  ainsi qu'à la saga Divergente . Parmi ses films les plus notables, on compte également sur les films de science-fiction After Earth  et Kin : Le Commencement , le film d'action Mad Max: Fury Road  et Les Animaux fantastiques : Les Crimes de Grindelwald . Elle revient sur le devant de la scène en interprétant le personnage de Catwoman dans le film The Batman , avec une probable série spin-off qui lui sera consacrée sur HBO Max.

À la télévision, elle intègre la quatrième saison de la série Californication et elle fait partie de la prestigieuse distribution, depuis 2017, de la série événement du réseau HBO, Big Little Lies. Depuis 2020, elle est le personnage principal de la série High Fidelity, adaptée du roman du même titre.

D'août 2007 à juin 2008, Zoë Kravitz fréquente l'acteur Ben Foster. En 2010, elle a une brève liaison avec l'acteur Ezra Miller. De 2010 à 2011, elle sort avec l'acteur germano-irlandais Michael Fassbender, puis elle est en couple avec l'acteur Penn Badgley de juillet 2011 à juin 2013. En 2014, elle fréquente brièvement Noah Gabriel Becker.

Durant l'automne 2016, elle commence à fréquenter l'acteur Karl Glusman, qu'elle épouse le 29 juin 2019 à Paris. Le couple annonce leur séparation en décembre 2020, après dix-huit mois de mariage et quatre ans de vie commune. Le divorce est prononcé en août 2021.

De août 2021 à octobre 2024, elle partage la vie de l'acteur Channing Tatum.