Mit neun Jahren zog Zoie Palmer aus England nach Kanada, wo sie eine Katholische Schule in Newmarket, Ontario besuchte. Als Teenager sammelte sie erste Schauspielerfahrungen im Sommertheater am The Red Barn Theatre in Sutton West, Ontario. 2001 machte sie ihren Abschluss an der York University in Toronto.
Ihr Bildschirmdebüt gab Palmer 2002 in der Science-Fiction-Serie Odyssey 5, wo sie in einer Episode als Wissenschaftlerin auftrat. Sie wirkte danach in mehreren TV-Filmen mit und übernahm Gastrollen in Serien wie Missing und Doc (2004).
2006-2007 war sie in der zweiten Staffel der Musikserie Instant Star als Nebendarstellerin zu sehen. In der kanadischen Dramaserie The Guard übernahm sie 2008-2009 eine Hauptrolle.
In der Fantasyserie Lost Girl spielt sie seit 2010 die Hauptrolle der Ärztin Dr. Lauren Lewis. Nebenbei besuchte sie Murdoch Mysteries (2010), King, Nikita und Call Me Fitz (2011). In den Krimiserie The Listener und Flashpoint erschien Zoie Palmer 2012.
2015 wurde die Darstellerin für eine Hauptrolle in der Science-Fiction-Serie Dark Matter verpflichtet.
Zwischen 2017 und 2019 spielte sie in der Serie Jann mit. Die Serie handelt von der gleichnamigen kanadischen Sängerin Jann Arden, die versucht, ihr Leben in den Griff zu bekommen, während sie sich um ihre Familie, ihre Karriere und ihre Liebesleben angestrengt kümmert. Zoie Palmer spielte in der Serie die Rolle der selbstbewussten und erfolgreichen Musikproduzentin Cynthia.
Zusätzlich zu diesen Projekten ist Zoie Palmer auch als Regisseurin tätig und hat mehrere Folgen der kanadischen Fernsehserie Wynonna Earp inszeniert. Außerdem sing sie den Song „Adieu L'Amant“ in einer Episode der Serie Lost Girl.
Die Schauspielerin lebt mit ihrer Partnerin, der kanadischen Produzentin Alex Lalonde und deren Sohn Luca zusammen.