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. Очень много работала на дубляже, озвучив несколько сотен картин. Была женой актёра Аркадия Толбузина, после смерти которого поменяла свою фамилию Земнухова на фамилию мужа.