Отец Зои Анатолий Иванович Космодемьянский учился в духовной семинарии, но обучение не окончил. Женился он на местной учительнице Любови Чуриковой. Но в 29-м началась коллективизация, и вся семья отправилась в Сибирь. По одним данным, Космодемьянские бежали туда, спасаясь от доноса. Примерно через год благодаря хлопотам сестры матери Зои, служившей в Наркомпросе, Космодемьянские переехали в Москву. Анатолий Иванович до переезда в столицу сменил несколько мест работы, в Москве устроился в Тимирязевскую академию. Вскоре семье выделили квартиру. Но семейное счастье длилось недолго. В 1933 г. отец Зои умер. В. Креславский называет несколько причин этой смерти: «Сведения о причинах его смерти довольно противоречивые. По одним, он скончался от туберкулеза, но тогда почему о болезни не было известно раньше? По другим, умер Космодемьянский от какой-то инфекции, полученной на работе… Третья версия гласит, что сведения о непролетарском происхождении Космодемьянских дошли и до Москвы, и, чтобы отвести репрессии от близких, Анатолий покончил жизнь самоубийством». Однако существует свидетельство, что отец Зои умер после операции на кишечнике.
В школе Зоя училась весьма прилежно. Особенно она увлекалась историей и литературой. Ее мечтой был Литературный институт. В своей жизни она «искала высоких человеческих чувств, благородных порывов, идеальных стремлений». Кто знает, но, может быть, эта возвышенность души досталась Зое от своих предков-священников? Этот поиск человеческого совершенства. Этот поиск чистоты и справедливости. Иначе откуда все это?
«Зоенька, не суди людей так строго, — писала Космодемьянской свое пожелание на новый, 1939 год ее одноклассница. — Не принимай все так близко к сердцу. Знай, что почти все люди эгоисты, льстецы, неискренние и полагаться на них нельзя. Слова, сказанные ими, оставляй без внимания».
Прочитав эту записку, Зоя тогда отчетливо сказала:
— Если так думать о людях, то зачем жить?
А вскоре осознание этой горькой истины привело ее к первому в ее жизни нервному срыву.
В 1938 году ее избрали комсомольским групоргом. Избрали в расчете на то, что лучше других преуспевающая в литературе и истории, но отстающая по математике, на ответственной работе обязательно подтянется. Однако отнимающая огромное количество времени общественная работа не помогла Зое. Зато привела к острейшему конфликту с одноклассниками. И во второй раз Зою не переизбрали. Как вспоминал В.И. Белокунь, «эта история очень нехорошо подействовала на Зою. Она стала как-то постепенно уходить в себя. Стала менее общительной, больше полюбила уединение. В 7-м классе за ней еще чаще стали замечать, как нам казалось, странности… Было заметно: что-то накипает у этой девушки. Она не находила себе места, но не с кем было поделиться, некому было открыть душу.
Из девочек близких подруг после ссоры не было, а из мальчиков оставался один брат Шурик, которого она хотя и очень любила, но задушевно поговорить боялась — мог не понять. Мы тоже не понимали эту девушку, и она не могла среди нас найти себе друга. Слишком загадочными были для нас ее молчание, всегда задумчивые глаза, а порою некоторая рассеянность. И непонятная Зоя становилась еще непонятнее. В середине года мы узнали от ее брата Шуры, что Зоя больна. Это произвело сильное впечатление на ребят. Решили, что в этом виноваты мы».
По свидетельству Любови Космодемьянской, «Зоя болела нервным заболеванием с 1939 г., когда переходила из 8-го в 9-й класс… У нее… было нервное заболевание по той причине, что ее ребята не понимали. Ей не нравилось непостоянство подруг: как иногда бывает, сегодня девочка поделится своими секретами с одной подругой, завтра — с другой, эти поделятся с другими девочками и т.д. Зоя не любила этого и часто сидела одна. Но она переживала все это, говорила, что она — одинокий человек, что не может подобрать себе подругу».
В 1940 году Зоя перенесла острый менингит, после которого проходила реабилитацию в санатории по нервным болезням в Сокольниках, где познакомилась и подружилась с лежавшим там же писателем Аркадием Гайдаром.
Мать Зои об этом свидетельствует следующее: «…При переходе из 9-го в 10-й класс в 1940 г. Зоя болела менингитом в острой форме. Сначала врачи говорили, что надежды на выздоровление нет, но она попала к профессору Маргулису, который спас ее… Врачи даже удивились, когда ее выписывали из больницы. Она терпела такие болезненные уколы в спинной мозг! Зоя была в памяти и говорила, что уколы были очень болезненными. Она была выносливой и терпеливой… В санатории по нервным болезням в Сокольниках (где она приходила в себя после менингита) Зоя дружила с одной медсестрой».
Из санатория, в котором Зоя находилась с 24 января по 4 марта 1941 г., ее выписали с заключением: «По состоянию здоровья больная приступить к учебе может, но без утомления и перегрузки». Хоть до конца учебного года и оставалось меньше трех месяцев, все же она смогла окончить 9-й класс средней школы.