Ziyi Zhang már fiatalon táncolni és tornázni tanult, éveket töltött el a tradicionális kínai néptáncok gyakorlásával, majd a hírneves Pekingi Táncakadémián tanult.
15 évesen azonban már a színészettel kezdett el ismerkedni és beiratkozott a pekingi Központi Dráma Akadémiára, majd nem sokkal ezután megkapta élete első szerepét a Touching Starlight című tv sorozatban, ahol egy fiatal táncosnőt alakított, akinek minden álma összeomlott, amikor a lábát amputálni kellett egy betegség miatt. A sorozat után röviddel jött karrierjében a nagy áttörés, ugyanis Kína egyik legelismertebb rendezője, Zhang Yimou Az út haza főszerepére őt választotta ki a több ezer jelentkező közül. Zhang Yimou ezután beajánlotta a lányt Ang Lee-nek, aki a Tigris és Sárkány főszerepére keresett színésznőt. A film a 2000-es év egyik legnagyobb sikere lett.
2001 nyarán szerepet kapott az első külföldi filmjében, Jackie Chan Csúcsformában 2-jében, ahol Hu Li-t a bűnözőt alakította. Miután visszatért Ázsiába, először egy kisebb szerepet játszott el a Zu Legendája-ban, amit Tsui Hark rendezett, majd egy koreai film következett, a Musa, amiben egy Ming hercegnőt személyesített meg, akit a mongol csapatok elrabolnak.

Ezután visszatért Kínába, ahol ismét Zhang Yimou-val dolgozott együtt a Hős című wuxia-ban. Első felnőtt drámai szerepe a Purple Butterfly volt, ami az 1930-as években játszódik Shanghaiban. Ziyi következő filmje a 2046 volt, majd híres Wong Kar Wai film után egy fiatal és ígéretes rendező, Huo Yong Jasmine Women című filmjében vállalt szerepet. Ezt a filmet követte Zhang Yimou következő munkája, mely a Repülő tőrök klánja címet kapta.
2004 végén az Egyesült Államokba utazott az Egy gésa emlékiratai-nak forgatására. Ez volt az első komoly hollywoodi szerepe, olyan színészek társaságában, mint Watanabe Ken, Michelle Yeoh és Gong Li. A film nem lett sikeres a kritikusok szerint, Ziyi remek alakítása azonban több díjat is eredményezett.