A 10 ans, Zoe Saldana et sa famille quittent New York pour s'installer en République Dominicaine. Là-bas la jeune fille se découvre un vif intérêt pour la danse et commence sa formation à la prestigieuse école ECOS. A 17 ans, Zoe et sa famille retournent vivre aux États-Unis. Bien qu'elle conserve une passion pour la danse, son intérêt pour le théâtre devient de plus en plus accru. Si bien qu'elle rejoint la troupe de jeunes comédiens Faces dont l'objectif est de fournir des messages positifs aux adolescents.

Ses connaissances en théâtre et en danse lui permettent de décrocher son premier rôle au cinéma avec Danse ta vie de Nicholas Hytner (2000) où elle joue une danseuse de ballet. Après avoir obtenu quelques seconds rôles dans des comédies romantiques, tel que Crossroads (2001) aux côtés de Britney Spears, Zoe décroche un rôle secondaire dans Le Terminal (2004) de Steven Spielberg où elle partage l'affiche avec Tom Hanks. Elle y interprète une employée de l'aéroport fan de Star Trek.

Elle joue par la suite aux côtés d'acteurs confirmés comme Johnny Depp et Orlando Bloom dans Pirates des Caraïbes : la Malédiction du Black Pearl (2002). Elle retrouve d'ailleurs Bloom dans Haven (2006) de Frank E. Flowers. C'est grâce à la comédie Black/white (2004) que la belle se fait un nom. Dans ce film qui porte sur le racisme, elle donne la réplique à Bernie Mac et à Ashton Kutcher. L'actrice devient de plus en plus sollicitée. Elle fait même partie du casting prestigieux d'Angles d'attaque (2008).

En 2009, la native de Passaic obtient définitivement son statut de star en jouant dans deux des plus gros blockbusters de l'année. Tout d'abord, dans le Star Trek de J.J. Abrams, où elle est Uhura, l'officier des communications de la Starfleet. Puis en interprétant Neytiri, une habitante de la planète Pandora dans l'Avatar de James Cameron, film pour lequel elle retrouve Sigourney Weaver. Elle y partage aussi l'affiche avec Sam Worthington et Michelle Rodriguez.

L'actrice devenue vedette tourne ensuite des films de moindre budget comme Panique aux funérailles (2010), une comédie grinçante où des obsèques familiales deviennent un lieu de règlements de comptes. L'année suivante, on la retrouve en tête d'affiche du film d'action et d'espionnage Colombiana mis en scène par le Français Olivier Megaton, dans lequel elle incarne une tueuse à gages aussi séduisante qu'impitoyable qui ne vit que pour venger la mort de ses parents.

Quatre ans après Star Trek, J.J. Abrams fait de nouveau appel à ses services Star Trek Into Darkness où elle reprend son rôle de l'officier Nyota Uhurav et apprend même, après la langue Na'vi pour Avatar en 2009, à parler Klingon pour les besoins du film. Puis, c'est deux seconds rôles de femmes battantes qu'elle décroche : d'abord l'ex-petite amie d'un braqueur déséquilibré (Matthias Schoenaerts) dans le polar Blood Ties, et ensuite Lena Taylor, la fiancée à bout de nerfs de Christian Bale dans Les Brasiers de la Colère.

En 2014, elle tient le premier rôle de la mini-série de NBC Rosemary's Baby. Cheveux courts, mine en vrac et ventre rond, elle vit une grossesse des plus perturbantes, traquée par d'étranges voisins. Zoe Saldana se métamorphose de nouveau pour le blockbuster de l'été 2014, Les Gardiens de la Galaxie, qui lui fait enfiler la combinaison de la super-héroïne Gamora. La native du New Jersey campe ce personnage dans Les Gardiens de la Galaxie 2, Avengers: Infinity War et Avengers: Endgame.

En dehors du MCU, elle reprend son rôle de Nyota Uhura dans Star Trek : Sans limites et de Neytiri dans Avatar : la voie de l'eau, qui sort fin 2022. Parallèlement à ces lucratives sagas, elle joue dans le film de gangsters de Ben Affleck Live by Night, les films familiaux My Little Pony : le film et Chasseuse de géants, le film de SF Adam à travers le temps et le thriller au casting cinq étoiles Amsterdam. On la voit également dans la série Netflix romantique Le Goût de vivre et aux castings vocaux de Monsieur Link et Vivo.