Sachverhalt:
A. X._ (geb. 1966) ist Staatsangehörige von Bosnien-Herzegowina und heiratete am 4. Januar 2001 in ihrer Heimat den in der Schweiz aufenthaltsberechtigten Landsmann Y._. Sie reiste am 6. April 2001 in die Schweiz ein, worauf ihr das Migrationsamt des Kantons Zürich eine Aufenthaltsbewilligung zwecks Verbleib beim Ehemann erteilte. Nachdem die eheliche Gemeinschaft im Januar 2004 aufgegeben worden war, wies das Migrationsamt mit Verfügung vom 27. Juli 2004 das Gesuch von X._ um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung ab und verweigerte ihr den weiteren Aufenthalt. Nach Rückzug des dagegen erhobenen Rekurses an den Regierungsrat wurde die Ausreisefrist neu auf den 30. Juni 2005 festgesetzt. Am 16. März 2005 wurde die Ehe mit Y._ geschieden und am 27. Mai 2005 heiratete X._ den Schweizer Staatsangehörigen Z._ (geb. 1956). Das darauf folgende erneute Gesuch um Erteilung einer Aufenthaltsbewilligung wurde zunächst abgewiesen (Verfügung vom 10. Oktober 2005), nachdem die Überprüfung der ehelichen Verhältnisse verschiedene Indizien zu Tage gefördert hatte, die auf eine Scheinehe hindeuteten. Auf Rekurs hin hob das Migrationsamt am 14. Juni 2006 die angefochtene Verfügung wiedererwägungsweise auf und erteilte X._ eine Aufenthaltsbewilligung als Ehegattin eines Schweizer Bürgers. Die Bewilligung wurde in der Folge jeweils um ein Jahr verlängert.
B. Im Zusammenhang mit einem Gesuch um erleichterte Einbürgerung ergaben polizeiliche Abklärungen der persönlichen Verhältnisse von X._ wiederum verschiedene Indizien für das Vorliegen einer Scheinehe. Gestützt darauf wies das Migrationsamt am 27. August 2009 das Gesuch von X._ vom 7. Mai 2009 um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung ab und setzte ihr Frist zum Verlassen der Schweiz an. Dagegen beschwerte sich X._ ohne Erfolg beim Regierungsrat und in der Folge beim Verwaltungsgericht des Kantons Zürich.
C. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 5. November 2010 beantragt X._, es sei der Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 22. September 2010 aufzuheben. Weiter sei festzustellen, dass die Beschwerdeführerin Anspruch auf eine Aufenthaltsbewilligung habe und die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich sei anzuweisen, ihr eine Aufenthaltsbewilligung zu erteilen.
Das Migrationsamt und der Regierungsrat des Kantons Zürich haben sich nicht vernehmen lassen. Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich beantragt die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei. Das Bundesamt für Migration schliesst auf Abweisung der Beschwerde.
Mit Verfügung vom 16. November 2010 hat der Präsident der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung des Bundesgerichts der Beschwerde antragsgemäss aufschiebende Wirkung zuerkannt.
Erwägungen:
1. 1.1 Am 1. Januar 2008 hat das Bundesgesetz vom 16. Dezember 2005 über die Ausländerinnen und Ausländer (AuG; SR 142.20) das Bundesgesetz vom 26. März 1931 über Aufenthalt und Niederlassung der Ausländer (ANAG; BS 1 121) abgelöst. Für das vorliegende Gesuch (datiert vom 7. Mai 2009) um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung gilt demnach das neue Ausländergesetz, da dieses vor Einreichung des Gesuchs in Kraft getreten ist (vgl. Art. 126 Abs. 1 AuG).
1.2 Gemäss Art. 42 Abs. 1 AuG hat der ausländische Ehegatte eines Schweizer Staatsangehörigen Anspruch auf Erteilung und Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung, wenn die Ehegatten zusammenwohnen. Nach einem ordnungsgemässen und ununterbrochenen Aufenthalt von fünf Jahren hat der ausländische Ehegatte Anspruch auf Erteilung der Niederlassungsbewilligung (Abs. 3). Die Beschwerdeführerin, die seit dem 27. Mai 2005 mit einem Schweizer verheiratet ist, hat demnach einen grundsätzlichen Anspruch auf Verlängerung ihrer Aufenthaltsbewilligung. Ob ein Grund besteht, diese dennoch zu verweigern, betrifft nicht das Eintreten, sondern bildet Gegenstand der materiellen Beurteilung (BGE 136 II 177 E. 1.1 S. 179). Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten ist somit zulässig (Art. 83 lit. c Ziff. 2 BGG e contrario) und die Beschwerdeführerin ist hierzu legitimiert (Art. 89 Abs. 1 BGG).
1.3 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt zugrunde (Art. 105 Abs. 1 BGG), es sei denn, dieser sei offensichtlich unrichtig oder beruhe auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG (Art. 105 Abs. 2 bzw. Art. 97 Abs. 1 BGG). Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (Art. 90 Abs. 1 BGG).
2. Die Rüge der Beschwerdeführerin, die Vorinstanzen hätten die Begründungspflicht und damit den Gehörsanspruch verletzt (vgl. Beschwerdeschrift S. 12 oben), erweist sich vorab als unbegründet: Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör nach Art. 29 Abs. 2 BV folgt zwar in der Tat die grundsätzliche Pflicht der Behörde, ihren Entscheid zu begründen. Das bedeutet indessen nicht, dass sich die Behörde mit jeder tatbeständlichen Behauptung und jedem rechtlichen Einwand auseinandersetzen muss. Vielmehr kann sie sich auf die für den Entscheid wesentlichen Punkte beschränken. Der Bürger soll wissen, warum die Behörde entgegen seinem Antrag entschieden hat, damit er gegebenenfalls den Entscheid sachgerecht anfechten kann (BGE 133 I 270 E. 3.1 S. 277 mit Hinweisen). Diesen Anforderungen genügt der vorinstanzliche Entscheid.
3. 3.1 Gemäss Art. 51 Abs. 1 lit. a AuG erlöschen die Ansprüche nach Art. 42 AuG, wenn sie rechtsmissbräuchlich geltend gemacht werden, namentlich um Vorschriften dieses Gesetzes und seiner Ausführungsbestimmungen zu umgehen. Erfasst wird davon die sogenannte Scheinehe bzw. Ausländerrechtsehe. Ein Bewilligungsanspruch entfällt demnach, wenn zum Vornherein nie der Wille bestand, eine dauerhafte Gemeinschaft zu begründen, und der einzige Zweck der Heirat darin liegt, dem Ausländer zu einer fremdenpolizeilichen Bewilligung zu verhelfen (vgl. BGE 128 II 145 E. 2.1 S. 151 mit Hinweisen).
3.2 Das Vorliegen einer Ausländerrechtsehe darf nicht leichthin angenommen werden (vgl. BGE 128 II 145 E. 2.2 S. 151). Es ist Sache der Fremdenpolizeibehörden, eine Scheinehe nachzuweisen. Dabei müssen die Behörden den Sachverhalt grundsätzlich von Amtes wegen untersuchen. Der Untersuchungsgrundsatz wird aber durch die Mitwirkungspflicht der Parteien relativiert. Diese kommt naturgemäss gerade für solche Tatsachen zum Tragen, die eine Partei besser kennt als die Behörden und die ohne ihre Mitwirkung gar nicht oder nicht mit vernünftigem Aufwand erhoben werden können (vgl. Urteil 2C_668/2010 vom 12. April 2011 E. 2.2 mit Hinweis; vgl. zur Mitwirkungspflicht: BGE 132 II 113 E. 3.2 S. 115; 124 II 361 E. 2b S. 365; 122 II 385 E. 4c/cc S. 394). Das gilt umso mehr, wenn gewichtige Hinweise für eine Ausländerrechtsehe sprechen; dann kann von den Eheleuten erwartet werden, dass sie von sich aus Umstände vorbringen, die den echten Ehewillen belegen.
3.3 Ob eine Scheinehe geschlossen wurde, entzieht sich in der Regel dem direkten Beweis und ist bloss durch Indizien zu erstellen (BGE 130 II 113 E. 10.2 und 10.3 S. 135 f. mit Hinweis). Feststellungen des kantonalen Richters über das Bestehen von solchen Hinweisen können äussere Gegebenheiten, aber auch innere psychische Vorgänge betreffen (Wille der Ehegatten). In beiden Fällen handelt es sich um tatsächliche Feststellungen, welche für das Bundesgericht grundsätzlich verbindlich sind (vgl. E. 1.3 hiervor; BGE 133 II 249 E. 1.4.3 S. 254 f.). Frei zu prüfen ist dagegen die Rechtsfrage, ob die festgestellten Tatsachen (Indizien) darauf schliessen lassen, die Berufung auf die Ehe sei rechtsmissbräuchlich oder bezwecke die Umgehung fremdenpolizeilicher Vorschriften (BGE 128 II 145 E. 2.3 S. 152 mit Hinweisen). Für die Annahme einer Scheinehe bedarf es konkreter Hinweise darauf, dass die Ehegatten nicht eine eigentliche Lebensgemeinschaft führen wollen, sondern die Ehe nur aus fremdenpolizeilichen Überlegungen geschlossen haben. Diesbezügliche Indizien lassen sich unter anderem darin erblicken, dass dem Ausländer die Wegweisung drohte, etwa weil er ohne Heirat keine Aufenthaltsbewilligung erhalten hätte oder sie ihm nicht verlängert worden wäre. Für das Vorliegen einer Ausländerrechtsehe können sodann die Umstände und die kurze Dauer der Bekanntschaft sprechen sowie insbesondere die Tatsache, dass die Ehegatten eine Wohngemeinschaft gar nie aufgenommen haben. Dasselbe gilt, wenn für die Heirat eine Bezahlung vereinbart wurde oder wenn ein erheblicher Altersunterschied zwischen den Ehepartnern besteht. Dass die Begründung einer wirklichen Lebensgemeinschaft gewollt war, kann umgekehrt nicht schon daraus abgeleitet werden, dass die Ehegatten während einer gewissen Zeit zusammenlebten und intime Beziehungen unterhielten; ein derartiges Verhalten kann auch nur vorgespiegelt sein, um die Behörden zu täuschen (BGE 122 II 289 E. 2b S. 295 mit Hinweisen). Eine Scheinehe liegt demgegenüber nicht bereits dann vor, wenn ausländerrechtliche Motive für den Eheschluss mitentscheidend waren. Erforderlich ist zusätzlich, dass der Wille zur Führung einer Lebensgemeinschaft - zumindest bei einem der Ehepartner - von Anfang an nicht gegeben ist (BGE 128 II 145 E. 2.1 S. 151; 127 II 49 E. 4 und E. 5 S. 55 ff.).
4. 4.1 Das angefochtene Urteil geht zutreffend von diesen rechtlichen Vorgaben aus. Als Indizien für das Vorliegen einer Scheinehe führen die kantonalen Behörden vorab die ausländerrechtliche Interessenlage, die kurze Zeitspanne zwischen dem Kennenlernen und der Heirat, die Wohnsituation sowie widersprüchliche Aussagen der Eheleute zum Kennenlernen und die fehlende Hochzeitszeremonie an. Es kann diesbezüglich vollumfänglich auf die für das Bundesgericht grundsätzlich verbindlichen Feststellungen (vgl. E. 3.3 hiervor) der Vorinstanz (vgl. angefochtener Entscheid E. 2) verwiesen werden.
4.2 Zu Recht hat die Vorinstanz das Interesse der Beschwerdeführerin an ihrer zweiten Ehe als erheblich bezeichnet: Sie heiratete ihren zweiten Ehemann, den sie erst im November 2004 kennengelernt hatte, rund zwei Monate nach der Scheidung von ihrem ersten Ehemann am 27. Mai 2005. Ohne diese zweite Heirat wäre sie gezwungen gewesen, die Schweiz per 30. Juni 2005 zu verlassen.
4.3 Gestützt auf die zahlreichen Zeugenaussagen (Vermieter, Nachbarn, Untermieter von Z._) durfte die Vorinstanz weiter den Schluss ziehen, es habe gar nie eine eheliche Gemeinschaft bestanden. Ebenso wenig zu beanstanden sind die Feststellungen der Vorinstanz, wonach sich keine Angaben über gemeinsame Freizeitaktivitäten, regelmässige Kontakte und Gemeinsamkeiten, welche die Eheleute verbinden würden, finden.
4.4 Die Beschwerdeführerin setzt sich mit den Erwägungen der Vorinstanz betreffend ihre im kantonalen Rechtsmittelverfahren erhobenen Rügen - insbesondere im Zusammenhang mit der hier interessierenden Frage des Vorliegens einer Scheinehe - nicht substantiiert auseinander, sondern wiederholt im Wesentlichen einzig, was sie bereits im vorinstanzlichen Verfahren vorbrachte.
Soweit hier die Beschwerdeführerin - im Zusammenhang mit ihrer ersten Ehe - ausführlich auf Art. 50 Abs. 1 lit. b in Verbindung mit Abs. 2 AuG (eheliche Gewalt als wichtiger persönlicher Grund) Bezug nimmt, zielt sie an der Sache vorbei: Zwar hat die Vorinstanz im Sinne einer (kurzen) Eventualbegründung (vgl. angefochtener Entscheid E. 4) auf Art. 50 AuG Bezug genommen. Im vorliegenden Verfahren ist jedoch einzig zu prüfen, ob die formell noch bestehende Ehe zwischen der Beschwerdeführerin und ihrem Schweizer Ehemann nur zum Schein geschlossen worden ist oder nicht. Die von der Beschwerdeführerin geltend gemachte eheliche Gewalt betrifft hingegen die erste, 2005 geschiedene Ehe und damit einen längst abgeschlossenen Bewilligungstatbestand, der mit rechtskräftig gewordener Verfügung vom 27. Juli 2004 beurteilt worden war, was auch nicht wiedererwägungsweise nach Inkrafttreten des AuG zu einer neuen Beurteilung führen kann (Urteil 2C_168/2009 vom 30. September 2009 E. 4.1). Für das vorliegende Verfahren kann die Beschwerdeführerin daraus nichts zu ihren Gunsten ableiten.
4.5 Zusammengefasst vermögen die Vorbringen der Beschwerdeführerin die von der Vorinstanz vorgenommene Würdigung der verschiedenen für eine Scheinehe sprechenden Indizien nicht zu erschüttern. Es liegt weder eine willkürliche Sachverhaltsermittlung noch eine willkürliche Beweiswürdigung vor. Nachdem die Beschwerdeführerin insbesondere den Nachweis für eine gelebte Ehegemeinschaft nicht erbringt, ist nicht zu beanstanden, dass das Verwaltungsgericht aufgrund der gesamten Umstände geschlossen hat, die Beschwerdeführerin sei mit Z._ die Ehe bloss eingegangen, um sich ein Anwesenheitsrecht in der Schweiz zu verschaffen, weshalb nach Art. 51 Abs. 1 lit. a AuG der Anspruch der Beschwerdeführerin auf Verlängerung ihrer Aufenthaltsbewilligung entfalle. Die vom Migrationsamt verfügte und von den kantonalen Rechtsmittelinstanzen geschützte Nichtverlängerung dieser Bewilligung verletzt demnach auch das nach Art. 8 EMRK und Art. 13 Abs. 1 BV geschützte Familienleben nicht.
5. Die Beschwerde erweist sich damit als unbegründet und ist abzuweisen. Bei diesem Verfahrensausgang wird die Beschwerdeführerin kostenpflichtig (Art. 65 f. BGG). Parteientschädigungen sind nicht geschuldet (Art. 68 Abs. 1 und 3 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden der Beschwerdeführerin auferlegt.
3. Dieses Urteil wird der Beschwerdeführerin, der Sicherheitsdirektion, dem Regierungsrat und dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 2. Kammer, sowie dem Bundesamt für Migration schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. Mai 2011
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Zünd Winiger