Зои Уонамейкер получила образование в независимой школе King Alfred School в Хэмпстеде, Лондон, и в пансионе Sidcot School в Сомерсете. Обучалась в Центральной Школе сценической речи и драматического искусства. Её актёрская карьера началась в театре.

С 1976 по 1984 год Зои была членом Королевской Шекспировской компании. В 1979 г. она выиграла Премию Лоуренса Оливье за роль в пьесе "Один раз в жизни", а вторую в 1997 г. - за роль в спектакле "Электра". В 1985 году она сыграла Джузеппину Стреппони, жену Джузеппе Верди, в оригинальной постановке "После Аиды". Она была четыре раза номинирована на премию Тони - за её выступления в спектаклях "Пиаф", "Добыча", "Электра" и "Проснись и пой!". С мая по октябрь 2010 года Зои играла в пьесе Артура Миллера "Все мои сыновья" в роли Кейт Келлер.

С начала 1980-х Уонамейкер начала сниматься в кино, а также на телевидении - в мини-телесериале "Возмездие", а в 1992-94 гг. - в комедийном телесериале "Любовь ранит". В 1999 г. она снялась в фильме в стиле фэнтези "Страна фей", исполнив роль жены лепрекона, и в фильме "Дэвид Копперфильд" по роману Чарльза Диккенса, вместе с Дэниелом Рэдклиффом и Мэгги Смит. Рэдклифф снялся в роли маленького Дэвида, Мэгги Смит - в роли его бабушки мисс Бетси Тротвуд, а Зои сыграла мисс Мэрдстон - злую сестру его отчима.

Продолжая работу на телевидении, Зои сыграла роль Клэрис в мини-сериале "Тёмное королевство", а с 2000 по 2011 год играла Сьюзен Харпер в комедийном телесериале "Моя семья". Она также появилась в двух эпизодах телесериала "Доктор Кто", сыграла Ариадну Оливер в нескольких эпизодах "Пуаро Агаты Кристи". В 2001г. она сыграла мадам Трюк (Madame Hooch) в фильме "Гарри Поттер и философский камень", в 2004-м - в роли Марты в детском фэнтези "Пять детей и волшебство", а в 2011-м появилась в фильме "Семь дней и ночей с Мэрилин" в роли Паулы Стресберг.

Уонамейкер получила британское подданство в 2000г. Она участвовала в благотворительных акциях помощи деревьям с 1997 года. Она также является спонсором некоммерческих компаний "Dignity in Dying", "The Lymphoedema Support Network" и "Youth Music Theatre: UK and of the Young Actors' Theatre".

Имя Зои происходит от древнегреческого имени Зоэ - "жизнь". Фамилия Уонамейкер - от голландского Wannemaeker  - "изготовитель ручных веялок, т.е. корзин для отделения мякины".