Po přepadení Sovětského svazu německými vojsky se jako dobrovolnice přihlásila do rozvědky. V říjnu 1941 vstoupila do diverzního oddílu při štábu Západního frontu, který se připravoval na vysazení na nepřátelském území a následný partyzánský způsob boje. Mezi partyzány vystupovala pod přezdívkou Táňa. V listopadu byla její skupina vysazena v nepřátelském týlu. Dne 4. listopadu 1941, několik týdnů po svých osmnáctých narozeninách, vyrazila Zoja spolu s dvěma spolubojovnicemi na svou první bojovou misi. Především pokládaly na silnice hřebíky. Při diverzních akcích se všechny tři dostaly i do křížové palby, ale přežily. Přesto měla její skupina obrovské ztráty, před její poslední akcí zbyli už pouze tři – Zoja, Boris Krajinov a Vasilij Kljubkov. Někdy v druhé polovině listopadu se Zoja vydala na sólovou misi do obce Petriščevo. Ta se jí stala osudnou. V Petriščevu bylo ubytováno několik desítek německých vojáků. Při prvním nočním průniku do Petriščeva se jí podařilo přeřezat telefonní dráty. Další noci chtěla Zoja podpálit stáje, avšak akcí s dráty noc předtím na sebe upozornila a němečtí vojáci byli v pohotovosti. Zoja byla zajata, a to pravděpodobně bez jediného výstřelu. Při střetu s hlídkou si zřejmě neuvědomila, že již nemá automatickou pistoli TT, ale revolver, který krátce před tím směnila s jinou členkou partyzánské skupiny, a proto nestihla vystřelit.