Изначально семья поселилась в обычной коммуналке, но через два года им дали более просторную комнату в доме номер 7 по Александровскому проезду. Зоя вместе со своим младшим братиком пошла в первый класс. Мать стала преподавать в начальной школе, параллельно учась в Пединституте. Отец устроился в Тимирязевскую академию, занимался на курсах стенографии. Также, следуя своей давней мечте, упорно учился, готовясь поступить в технический институт. Однако мечта так и осталась неосуществленной. Анатолий Петрович заболел и, несмотря на успешно проведенную операцию, умер в 1933-ем году. Отца в семье очень любили, потеря его стала тяжелым ударом. Детям пришлось быстро взрослеть, привыкать жить без кормильца.
Училась Зоя хорошо, много читала, увлекалась историей и мечтала попасть в Литературный институт. В октябре 1938-го года она вступила в ВЛКСМ, ее выбрали комсомольским групоргом. Необходимо отметить, что у девушки был трудный характер, отношения с товарищами не всегда складывались удачно. Ребята жаловались на ее строгость и требовательность, а школьные учителя говорили: «Никогда не отступит от того, что считает верным». После того, как её в 1939-ом году повторно не переизбрали групповым организатором, у Зои произошло нервное расстройство. Она стала менее общительной, задумчивой и рассеянной. Любовь Космодемьянская писала: «Нервное заболевание было из-за того, что ребята её не понимали. Непостоянство подруг, разглашение секретов – Зоя этого не любила, переживала и, как правило, сидела одна». В 1940-ом году девушка переболела острым менингитом, после которого долго восстанавливалась в санатории в Сокольниках. Здесь она подружилась с лечащимся Аркадием Гайдаром. В этом же году, несмотря на огромное количество пропущенных занятий, Зоя смогла окончить девятый класс школы №201.
Известный историк Михаил Горинов писал о ней: «Сложная, утонченная натура, болезненно реагирующая на несовершенство мира, несоответствие ее высоким идеалам. Отрыв мечты от действительности переживался Зоей крайне остро, приводя к отчуждению, одиночеству и нервному срыву».
Война для Космодемьянских, как и для многих жителей нашей страны, явилась абсолютной неожиданностью. Вместе с другими ребятами Зоя и Александр стали дежурить во время налетов на крышах домов. Девушка также шила для фронтовиков вещмешки и петлички, помогала на заводе, прошла ускоренные курсы медсестер.
После рассмотрения ее дела в разведывательно-диверсионной школе комиссия осталась недовольна. Исправления в фамилии Зои, биография деда-священника, ссылка родителей в Сибирь – все это не располагало к зачислению в ряды будущих диверсантов. Шелепин не сумел вынести решение и передал ее дело начальнику школы легендарному майору Спрогису. В своих воспоминаниях Артур Карлович писал, что Зоя не подходила для выполнения задач разведгрупп. Однако после отказа девушка заявила: «Хочу сражаться за Родину» и осталась ночевать возле кабинета майора. Скрепя сердцем, Спрогис зачислил Космодемьянскую.

В самом конце октября 1941-го года более двух тысяч комсомольцев партиями прибывали к месту сбора возле бывшего кинотеатра «Колизей». Отсюда мальчишек и девчонок в крытых грузовиках доставляли в разведшколу, располагавшуюся в Кунцеве и официально именующуюся войсковой частью 9903 штаба Западного фронта. Времени в учебке не теряли. Уже через час после прибытия, по воспоминаниям Зоиных однополчан, начались занятия. В класс принесли пистолеты и гранаты. Ребята трое суток учились ориентироваться в лесах, ставить мины, взрывать объекты, пользоваться картой и… убивать людей. В начале ноября отряд Зои получил первое задание – заложить мины на дорогах в тылу противника.

Дословно текст задания для группы, в которую была включена Космодемьянская, звучал так: «Воспрепятствовать подвозу горючего, боеприпасов, живой силы и продовольствия путём минирования дорог, устройства засад, поджога и взрыва мостов в районе дороги Шаховская-Княжьи Горы. Операция будет считаться выполненной успешно, если: 1. уничтожить от пяти до семи мотоциклов и автомашин; 2. уничтожить два-три моста; 3. сжечь один-два склада с горючим или боеприпасами; 4. уничтожить от пятнадцати до двадцати немецких офицеров».

На курсантах перед отправкой была одета гражданская одежда, за их плечами болтались вещмешки с едой, боеприпасами, толом и бензином. У парней они весили около двадцати килограммов, у девушек – чуть меньше. Под ватниками и пальто скрывались пистолеты. Каждый разведчик расписался в том, что ознакомлен с боевым заданием для всей группы. 4 ноября отряд Зои был переброшен под Волоколамск. Несколько дней ребята добирались до места, разбрасывали колючки, минировали наезженные дороги. За сутки группа проходила до двадцати километров. Отдыхали по очереди по два-три часа на рассвете или днем, нередко просыпаясь от холода. Вскоре из-за неосторожного обращения с толом пропал запас сухарей, стали заканчиваться и другие продукты. В отряде появились больные, в частности простыла Зоя, у неё начался отит. Однако после того как командир отдал приказ возвращаться, девушка заявила о готовности продолжать задание. На базу разведчики-диверсанты вернулись без потерь 11 ноября 1941-го года.
Особая воинская часть 9903 разведотдела Западного фронта была образована специально для проведения диверсий в тылу врага. Её командный состав был набран из учащихся Военной академии Фрунзе, а основу составили комсомольцы Москвы и Подмосковья. В ходе сражений за столицу России в этой части было подготовлено около пятидесяти боевых отрядов. С сентября 1941-го года по февраль 1942-го года ими было совершено почти девяносто проникновений в немецкий тыл, уничтожено более трех с половиной тысяч гитлеровцев, устранено тридцать шесть предателей и перебежчиков, взорвано тринадцать цистерн с горючим и четырнадцать танков.
17 ноября 1941-го года Сталин издал секретный приказ под номером 428. В нем вместо обычного обращения к тем, кому следовало его исполнять, вождь сразу брал быка за рога: «Самонадеянный противник думал перезимовать в тёплых домах Ленинграда и Москвы… Не дать возможности немецкой армии размещаться в городах и сёлах, выгонять фашистских захватчиков на холод из любых населённых пунктов, выкуривать из тёплых убежищ и заставлять замерзать под открытым небом – наша важная задача». Для осуществления этого предлагалось: «Сжигать и разрушать все населённые пункты, находящиеся в тылу гитлеровских войск и удаленных от переднего края на сорок-шестьдесят километров и на двадцать-тридцать километров в стороны от основных дорог. На выполнение этой задачи бросить авиацию, использовать минометный и артиллерийский огонь, отряды лыжников, разведчиков, партизан и диверсантов, снабженных бутылками с зажигательной смесью, гранатами и подрывными средствами... В случае вынужденного отхода наших частей... уводить все советское население, обязательно уничтожая населенные пункты без исключения…».
Безусловно, этот приказ открывает очень болезненную и неоднозначную страницу битвы за Москву. Правда о той войне гораздо страшнее, чем мы сегодня можем представить. Гражданское население страны ничего не знало об этом секретном постановлении, как не знало и об опасности очередного наступления фашистских войск на столицу нашей Родины. Менее всех были осведомлены те, кто оказался на оккупированной фашистами территории Подмосковья. А осуществление сталинского распоряжения в первую очередь затрагивало их…. Однако, чем бы закончилось кровопролитнейшее, важнейшее сражение Второй мировой, если бы гитлеровцам предоставили шанс спокойно отдыхать в теплых деревенских избушках и отъедаться местными харчами – неизвестно. Когда идёт смертельная битва в поступках людей всегда проявляются, самое меньшее, две правды: обывательская (спастись любой ценой) и героическая (пожертвовать собой ради Победы).

Во исполнение данного приказа 18 (а по другим источникам 20) ноября диверсионные группы Крайнова и Проворова (в которой была Зоя) особой части 9903 получили задание в течение недели ликвидировать десять населенных пунктов: Анашкино, Ильятино, Грибцово, Усадково, Пушкино, Грачево, Бугайлово, Коровино, Михайловское и Петрищево. На задание обе группы ушли вместе. В отряде с Зоей были Вера Волошина и Клава Милорадова. Линию фронта ребята перешли в ночь на 22 ноября 1941-го года. Возле деревни Головково обе группы наскочили на засаду фашистов. В ходе завязавшейся перестрелки отряды оказались рассеянными. Некоторые бойцы погибли, другие (в том числе Вера Волошина) попали в плен. Часть ребят просто заблудилась в лесу, отстав от своих товарищей. Оставшиеся диверсанты объединились под командованием Крайнова 25 ноября возле села Усково. Из первоначального состава (двадцать человек – по десять в группе) осталось лишь восемь. Среди ребят возник конфликт, пятеро посчитали, что продолжать задание бессмысленно. Взяв необходимые вещи, они повернули к своим. Трое – Борис Крайнов, Зоя Космодемьянская и комсорг школы Василий Клубков – приняли решение остаться, дабы выполнить приказ в деревне Петрищево.
Ночью 27 ноября они добрались до деревни, в которой помимо расквартировавшихся солдат 332-го полка 197-ой дивизии вермахта, находился по неподтвержденным данным важный военный объект немцев – армейский радиоцентр. Троица распределила между собой цели для поджога и вышла из леса. Василий направился к школе, Борис взял на себя штаб, а Зоя пошла к конюшне. После того, как задание будет выполнено, ребята условились собраться в лесу и вместе уйти к своим.
Около двух часов ночи в Петрищеве загорелись четыре постройки. Поджог оказался для фашистов полной неожиданностью, караульные подняли тревогу, раздались выстрелы наугад. Вернувшись на условленное место, Крайнов не встретил там ни Зою, ни Клубкова.