Saldaña é de ascendência porto-riquenha e dominicana. Passou boa parte de sua infância na República Dominicana antes de retornar aos Estados Unidos para perseguir uma chance na carreira artística. Zoe inscreveu-se em aulas de balé em uma das mais prestigiadas escolas de dança, na República Dominicana, ganhando experiência como bailarina, o que a beneficiou mais tarde por seu papel no Center Stage. Ela retornou para os Estados Unidos após seu segundo ano no Teatro Faces Program, um curso de aprimoramento.
Saldaña ainda era um membro do curso, quando ela teve sua primeira experiência na tela em um episódio de Law & Order, que foi ao ar em 1999. Ela deixou a escola depois de sua estréia em Center Stage (2000), que posteriormente levou a aparições no filme de Britney Spears, Crossroads (2002), e no drama Drumline (2002).
Ela fez a pirata Anamaria no filme de 2003 Piratas do Caribe: A Maldição do Pérola Negra, e já apareceu em vários programas de televisão e filmes, incluindo The Terminal (2004) e Guess Who (2005).
Saldaña também participou do videoclipe do cantor Juan Luis Guerra, "La música llave de mi corazón", e interpretou Uhura em 2009 no filme Star Trek. Recentemente, ela interpretou Neytiri, a princesa Na'vi, em Avatar de James Cameron (2009). Interpretou Lily em 2010 no filme Takers onde faz par romântico com Michael Ealy, contracenando junto com Chris Brown, Paul Walker, T.I. Em 2014 reprisou Gamora em Guardians of the Galaxy e novamente em 2018 no filme Avengers: Infinity War.
Saldaña tem um grande interesse em moda e tem sua própria linha chamado Arasmaci, onde a maioria de seus desenhos são influenciados pela sua herança Dominicana.
Seu pai morreu em um acidente de carro na cidade de Bonao, República Dominicana, a cerca de uma hora de Santo Domingo. Enquanto dirigia um Honda Accord verde, a caminho de Fantino La Piña, seu pai perdeu o controle do carro e atingiu um comboio. Seu irmão saiu ileso deste acidente.
Em 2019, Saldaña se tornou a primeira mulher da história a estrelar três filmes com mais de US$2 bilhões, em Avatar, Vingadores: Guerra Infinita e Vingadores: Ultimato.