Родилась 12 августа 1922 года в Ростове.
В 1940 году Зоя Толбузина (девичья фамилия 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 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 на вторых ролях и эпизодах.
Очень много Зоя Николаевна работала на дубляже, озвучив множество картин. Всего в её послужном списке более трёх сотен картин. Её голосом, к примеру, говорит Светлана Светличная в фильме «Бриллиантовая рука». Голосом Зои Николаевны говорят и такие зарубежные актрисы, как Марина Влади («Колдунья»), Анна-Мария Ферреро («Война и мир»), Андреа Паризи («Большая прогулка») и др.
Была женой актёра Аркадия Толбузина.
Толбузина имеет дочь - Бывшеву Ольгу Аркадьевну (родилась 21 января 1945 года), которая так же была актрисой.
У Зои Николаевны есть правнучка - Голубцова Дарья Евгеньевна (родилась 7 июня 1996 года).