Зоя Воскресенская родилась 15 (28) апреля 1907 года в семье помощника начальника железнодорожной станции Узловая (ныне — Тульской области), а согласно другим источникам, — в Алексине.

В 14 лет стала библиотекарем 42-го батальона ВЧК Смоленской губернии, в 1923 году — политруком в колонии для малолетних правонарушителей, в 1928 году — перешла на работу в Заднепровский райком РКП(б) Смоленска.

В 1928 году будущая разведчица переезжает в Москву и с августа 1929 года начинает работать в Иностранном отделе ОГПУ — во внешней разведке. Член ВКП(б) с 1929 года.

Первая поездка Воскресенской на разведывательную работу — в Харбин, где числилась секретарём синдиката «Союзнефть». В течение двух лет она успешно выполняла ответственные разведзадания во время острейшей борьбы на КВЖД.

С 1932 года возглавляла Иностранный отдел постоянного представительства ОГПУ в Ленинграде.

Позже Зоя Ивановна была на разведывательной работе в Латвии, Германии и Австрии.

С 1935 по 1939 год — заместитель резидента разведки НКВД в Финляндии. Официально выполняла обязанности руководителя представительства «Интуриста» в Хельсинки. В 1936 году в Финляндию резидентом под прикрытием должности консула (позже — второй секретарь полпредства) приехал Б. А. Рыбкин («Ярцев», «Кин»). Первоначально у резидента и его заместителя деловые отношения не складывались. «Мы спорили по каждому поводу! — вспоминала Зоя Ивановна. — Я решила, что не сработаемся, и просила Центр отозвать меня». В ответ было приказано помочь новому резиденту войти в курс дела, а потом вернуться к этому вопросу. Впрочем, возвращаться не потребовалось. «Через полгода мы запросили Центр о разрешении пожениться…»

В дальнейшем Воскресенская-Рыбкина взаимодействовала с П. А. Судоплатовым, будущим генерал-лейтенантом разведки, начальником спецуправления НКВД.

В Москву Воскресенская-Рыбкина вернулась перед самой войной с Финляндией и занялась аналитической работой под руководством П. М. Фитина. Стала одним из основных аналитиков разведки. К ней стекались важные сведения, в том числе от представителей известной «Красной капеллы» — таких, как «Старшина» (Харро Шульце-Бойзен) и «Корсиканец» (Арвид Харнак). С осени 1940 года участвовала в опросах, а после начала Великой Отечественной войны — и подготовке к заброске в нейтральные страны А. С. Нелидова.

В начале Великой Отечественной войны разведчица занималась подбором, организацией, обучением и переброской за линию фронта разведывательно-диверсионных групп. С конца 1941 года по март 1944 года Зоя Ивановна находилась в Швеции в качестве пресс-секретаря советского посольства вместе с мужем, работавшим советником посольства и резидентом. Послом в Швеции была тогда А. М. Коллонтай, работавшая с ней в тесном сотрудничестве. Обе, каждая по своей линии, содействовали тому, что 20 сентября 1944 года Финляндия порвала союз с нацистской Германией и подписала перемирие с Советским Союзом.

Памятная доска у входа в детскую библиотеку имени Зои Воскресенской в городе Узловая Тульской области

Резидентурой было организовано наблюдение за германским воинским транзитом через Швецию, фиксировался характер грузов, транспортируемых морским путём между Швецией и Германией. На севере Швеции, в пограничной полосе с Финляндией, агентурная группа регистрировала переброску в Финляндию немецкой военной техники и воинских частей. В южных портах Швеции другая агентурная группа наблюдала за взаимными германо-шведскими поставками.

После своего возвращения в Москву Воскресенская-Рыбкина занималась аналитической работой в центральном аппарате разведки, дослужилась до начальника немецкого отдела, выезжала в командировку в Берлин с оперативным заданием. 27 ноября 1947 года муж Воскресенской-Рыбкиной полковник Б. А. Рыбкин погиб в автокатастрофе под Прагой при исполнении служебных обязанностей. В 1953 году, после ареста П. А. Судоплатова, выступила в его защиту. В 1953 году была уволена из разведки и, по её настоятельной просьбе оставить в органах госбезопасности до достижения пенсионного возраста, в 1955 году направлена в Воркутлаг (один из лагерей ГУЛАГа) начальником спецчасти, где прослужила около двух лет.

В 1956 году Зоя Ивановна вышла на пенсию в звании полковника МВД и занялась литературной деятельностью. В 1965 году была принята в члены союза писателей СССР. Только за период с 1962 по 1980 годы её книги были опубликованы тиражом в 21 млн 642 тыс. экземпляров. Значительную часть её прозы составляет детская литература, в том числе книги о детских и юношеских годах В. И. Ленина. Как детская писательница она была наиболее известна советским читателям.

Среди её героев — деятели международного коммунистического движения. Повесть «Консул» (1981) посвящена судьбе финского коммуниста Тойво Антикайнена, рассказ «Бабушка Параскева» (1983) — памяти генерального секретаря Коминтерна Г. М. Димитрова.

Уже будучи тяжело больной, Воскресенская-Рыбкина узнала, что её «рассекретили». Поскольку многое за давностью лет перестало быть секретным, она решила рассказать о некоторых эпизодах своей жизни, взяв отрезок времени, непосредственно предшествующий Великой Отечественной войне, а также охватив отдельные стороны своей работы в военные годы. Выпустила книгу «Теперь я могу сказать правду: Из воспоминаний разведчицы» (в издательстве «Олма-пресс» мемуары вышли в декабре 1992 года).

Умерла разведчица 8 января 1992 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище.

Своим «крёстным отцом» в разведке З. Воскресенская называла Ивана Чичаева

Братья — Николай (1910 — ?) и Евгений (1913 — ?).

Первый муж (1927—1929) — Владимир Казутин, комсомольский и партийный активист (в 1929 году супруги развелись);

Сын — Владимир Владимирович Казутин (1928—1979).

Второй муж — Борис Аркадьевич Рыбкин (1899—1947), советский разведчик и дипломат;

Сын — Алексей Борисович Рыбкин (1944—2009).