Im Jahr 2000 erhielt Zem für seinen Auftritt neben Vincent Lindon in "Alles für die Firma" seine erste Nominierung für den César in der Kategorie Bester Nebendarsteller. 2006 gewann er als Teil des männlichen Ensembles in "Tage des Ruhms", einem Kriegsfilm über nordafrikanische Soldaten während des Zweiten Weltkriegs, den Preis in der Kategorie Bester Darsteller bei den 59. Internationalen Filmfestspielen von Cannes. Noch im selben Jahr folgte sein Regiedebüt unter dem Titel "Mauvaise foi", bei dem er neben Cécile de France auch die männliche Hauptrolle übernahm. Für die von einer Beziehung zwischen einer Jüdin und einem Araber handelnde Filmkomödie erhielt er in der Kategorie Bestes Erstlingswerk eine Nominierung für den César. Weitere von ihm inszenierte Filme folgten, darunter das Filmdrama "Omar – Ein Justizskandal" (2011) und die Filmbiografie "Monsieur Chocolat" (2016). Für seine Darstellung in dem Kriminalfilm "Roubaix, une lumière" wurde Zem 2020 mit dem César in der Kategorie Bester Hauptdarsteller ausgezeichnet. Ein Jahr später wurde er als Präsident der 46. César-Verleihung ausgewählt.