Её кинодебют состоялся в 2003 году в фильме «Шпагоглотатели и худые». Там она играла Саманту. В 2006 она выходит на сцену театра в постановке пьесы «Мисс Джин Броди в расцвете сил» с Синтией Никсон в главной роли. В 2007 году она появляется сразу в трех фильмах : в драме «Перелом», номинированной на «Оскар», семейной комедии «Дикари» и также номинированном на «Оскар» фильме «В долине Эла». В 2008 году, в картине «Я и Орсон Уэллс» Зои играет вместе с такими звездами, как Зак Эфрон и Клэр Дэйнс, в «Августе» — с Джошем Хартнеттом. Также она сыграла в нашумевшей драме «Дорога перемен» по книге Ричарда Йейтса с Леонардо Ди Каприо и Кейт Уинслет в главных ролях. В 2009 году она сыграла дочку героини Мерил Стрип в картине «Простые сложности», поставленной Нэнси Майерс. «Мне было легко отождествить себя с персонажами сценария, потому что я вышла из той же среды, что дети, о которых пишет Нэнси Майерс: росла в той же обстановке, ходила в такую же школу, сталкивалась с такими же проблемами»- вот что сказала Зои о этой работе. Зои Казан также пишет пьесы и сценарии. В 2009 году её пьеса «Авессалом» о блудном сыне, возвращающемся домой к отцу и младшему брату, была поставлена на фестивале «Humana» в Луисвилле. Она написала сценарий к фильму 2012 года «Руби Спаркс» и сыграла там главную героиню Руби. Вместе с ней там играет Пол Дано