También es conocida por haber salido en el vídeo oficial de la canción «Perfect» del cantante británico Ed Sheeran.

Entre 2011 y 2012, tuvo un papel recurrente como Juliet Martin en la serie de la cadena The CW Ringer.

[7]​ Debutó en la pantalla grande en Mayor Cupcake (2011) junto a su madre y su hermana.

[11]​ Consiguió su gran avance en la pantalla grande con el papel secundario de Emily Asher, junto a Emma Thompson, Thomas Mann y Alden Ehrenreich en el drama de fantasía, romance y drama Beautiful Creatures, de 2013, basada en la novela estadounidense para adultos jóvenes del mismo nombre escrita por los autores Kami García y Margaret Stohl y el primer libro de la serie Caster Chronicles.

[24]​ Interpretó a Samantha «Sam» Kingston en Before I Fall, una adaptación de la novela para adultos jóvenes más vendida de Lauren Oliver del mismo nombre, también protagonizada por Jennifer Beals y Kian Lawley.

[25]​ Andrea Mandell de USA Today describió Before I Fall como un hito en su carrera ascendente.

[28]​ La película biográfica del autor J. D. Salinger la vio como Oona O'Neill junto a Nicholas Hoult, Kevin Spacey y Laura Dern.

[31]​ Aubrey Page de Collider describió su actuación como una «actuación principal eléctrica» [32]​ y David Ehrlich de IndieWire pensó que la película «confirma que Zoey Deutch es una auténtica estrella en ciernes».

[34]​ Apareció en la película debut como directora de su madre, Lea Thompson, The Year Of Spectacular Men como Sabrina, con Avan Jogia, su hermana Madelyn, Cameron Monaghan y Nicholas Braun.

[41]​ También consiguió un papel en la comedia dramática The Professor junto a Johnny Depp.

[43]​ Apareció en la película dramática Buffaloed dirigida por Tanya Wexler en el 2018, donde ejerció por segunda ocasión como productora.

[47]​[48]​ Recibió críticas positivas por su actuación,[49]​ y fue nominada en los Premios Fangoria Chainsaw 2020 a la mejor actriz de reparto.

2, la última película como director de Clint Eastwood, junto con los actores Nicholas Hoult y Toni Collete.