San Sebastián, quien también acudió a visitarlos, y viendo que ambos empezaban a dudar sobre si renegar o no de Cristo, los convenció de seguir firmes en su fe.

Mientras rezaba una noche ante la tumba de San Pedro, fue denunciada y, en consecuencia, arrestada y obligada a ofrecer sacrificios ante una escultura de Marte, a lo que la mujer respondió: «Obligaréis a una mujer a sacrificarse a la estatua de Marte para mostrar que vuestro Marte se deleita y complace en las mujeres, y sin embargo puede hacer su voluntad de la vergonzosa Venus, sin embargo no obtendrá la victoria de mí, porque llevo mi victoria en la frente»,[3]​ tras lo cual fue encerrada durante cinco días en una celda oscura sin comida ni agua.

Al sexto día fue llevada ante el presidente Flaviano, quien le ordenó sin éxito ofrecer sacrificios, condenándola finalmente a ser colgada de la rama de un árbol por los cabellos y a morir asfixiada con el humo de una hoguera situada bajo ella[4]​[5]​ (se afirma también que su destino era morir quemada pero que falleció a causa del humo antes de que las llamas la alcanzasen debido a que se emplearon excrementos para alimentar el fuego, los cuales desprenden gases letales al ser quemados).

[6]​ Tras su ejecución, la cual tuvo lugar supuestamente el 5 de julio de 286, los verdugos ataron una gran piedra al cuello del cadáver[3]​ y lo arrojaron al Tíber para impedir que el mismo pudiese ser venerado.

[4]​ La primera mención a Santa Zoé de Roma se produjo en la passio de San Sebastián, no volviendo a ser mencionada hasta el siglo XVI, por lo que se considera que, dado su ausencia de culto, Zoé pudo ser una persona real sin vínculo alguno con San Sebastián pero incluida en su passio con el fin de otorgarle una mayor importancia al relacionarla con el santo, considerándose también la posibilidad de que la mártir nunca existiese, pese a lo cual es considerada santa por la Iglesia católica y la Iglesia ortodoxa.