Родилась в городе Ямполь Черниговской губернии в семье учителя. В середине 20-х годов переехала в Москву. В 1929 году арестован брат Григорий (в 1937 году расстрелян), в 1931 г. Зоя была арестована за хранение записи прощального разговора с братом, осуждена на 3 года лагерей. После освобождения в 1934 году вышла замуж за немецкого коммуниста Германа Траубенберга, работала машинисткой. Муж был арестован и расстрелян в мае 1937 года. Осенью того же года Зоя Марченко арестована за отказ подписать ложные показания против мужа, приговорена к 8 годам заключения, отправлена на Колыму. Освобождена в 1946 году, в 1947 вернулась в Ямполь. Спустя два года, в 1949 году, она была арестована в третий раз, приговорена к бессрочной ссылке в Красноярский край. Отправлена этапом в Туруханский край, вскоре устроилась на работу экономистом на Строительстве 503, в поселке Ермаково. Затем была вынуждена переехать в женский лагерный пункт близ озера Вымского (18-й километр от Ермаково), где продолжала работать экономистом. В 1951 году встретилась с будущим мужем, Николаем Шеффом. Вместе они вновь перебрались в Ермаково, их дом стал центром небольшого кружка ссыльных. После свертывания стройки вместе с мужем жила в Кемерово, потом в Красноярске. В середине 1950-х супруги переехали в Гатчину. После реабилитации в 1956 году Зоя Марченко возвратилась в Москву. С 1960-х годов работала над книгой воспоминаний, была членом общества Мемориал.