Η Άλκη Ζέη γεννήθηκε στην Αθήνα. Ο πατέρας της καταγόταν από την Κρήτη και η μητέρα της από τη Σάμο, όπου πέρασε τα πρώτα παιδικά της χρόνια. Παντρεύτηκε τον θεατρικό συγγραφέα και σκηνοθέτη Γιώργο Σεβαστίκογλου, που πέθανε το 1991. Απέκτησαν δύο παιδιά.
Σπούδασε στη Φιλοσοφική Σχολή του Πανεπιστημίου Αθηνών, στη Δραματική Σχολή του Ωδείου Αθηνών και στο Κινηματογραφικό Ινστιτούτο της Μόσχας, στο τμήμα σεναριογραφίας.
Από το 1954 έως το 1964 έζησε σαν πολιτική πρόσφυγας στη Σοβιετική Ένωση. Το 1964 επιστρέφει οικογενειακώς στην Ελλάδα, για να ξαναφύγουν πάλι όλοι μαζί με τον ερχομό της Χούντας το 1967. Αυτήν τη φορά ο τόπος διαμονής τους είναι η Γαλλία, και συγκεκριμένα το Παρίσι, απ’ όπου επιστρέφουν μετά τη δικτατορία.
Από πολύ μικρή ασχολήθηκε με το γράψιμο. Στις πρώτες ακόμη τάξεις του Γυμνασίου άρχισε να γράφει κείμενα για το κουκλοθέατρο. Ένας από τους ήρωες που δημιούργησε, ο Κλούβιος, έγινε κατοπινά ο ήρωας του γνωστού κουκλοθέατρου «Μπαρμπα-Μυτούσης», εμπνεύστρια του οποίου ήταν η Ελένη Θεοχάρη-Περάκη. Πρώτο της μυθιστόρημα είναι Το καπλάνι της βιτρίνας (1963), που το έχει εμπνευστεί από τα παιδικά της χρόνια στη Σάμο και είναι σχεδόν αυτοβιογραφικό. Ακολουθεί μια σειρά μυθιστορημάτων για παιδιά, και το 1987 κυκλοφορεί το πρώτο της βιβλίο για μεγάλους Η αρραβωνιαστικιά του Αχιλλέα. Το 2013 κυκλοφόρησε το αυτοβιογραφικό της βιβλίο Με μολύβι φάμπερ νούμερο δύο, και το 2017 το Πόσο θα ζήσεις ακόμα, γιαγιά.
Το 2010 τιμήθηκε με το Βραβείο της Ακαδημίας Αθηνών για το σύνολο του έργου της.
Ο καθαρός τρόπος γραφής της, η γλωσσική αρτιότητα, η κριτική στάση απέναντι σε πρόσωπα και καταστάσεις, το χιούμορ και η διεισδυτική ματιά στα γεγονότα, είναι τα χαρακτηριστικά των έργων της Άλκης Ζέη που το έχουν κάνει να αγαπηθεί από το ελληνικό και το ξένο αναγνωστικό κοινό. Η αρραβωνιαστικιά του Αχιλλέα , Το καπλάνι της βιτρίνας και Ο μεγάλος περίπατος του Πέτρου, συμπεριλαμβάνονται στα διαχρονικά ευπώλητα βιβλία της σύγχρονης ελληνικής λογοτεχνίας. Τα βιβλία της απευθύνονται κυρίως στα παιδιά και τους εφήβους, πάντα όμως διαβάζονται με μεγάλη ευχαρίστηση και από τους ενήλικες. Εμπνέονται από προσωπικές της εμπειρίες υφαίνοντας την υπόθεσή τους παράλληλα με ιστορικά γεγονότα. Τα θέματα που πραγματεύονται είναι καθημερινά και πανανθρώπινα.
Το Καπλάνι της βιτρίνας, το πρώτο της μυθιστόρημα, υπήρξε έργο – σταθμός για την ελληνική παιδική λογοτεχνία και θεωρείται πλέον ένα κλασικό έργο της παγκόσμιας λογοτεχνίας για παιδιά, με συνεχείς επανεκδόσεις από το 1963 που πρωτοκυκλοφόρησε στην Ελλάδα και πολλές μεταφράσεις και διακρίσεις στο εξωτερικό. Η Άλκη Ζέη αποτελεί πρέσβειρα της σύγχρονης ελληνικής λογοτεχνίας στο εξωτερικό, καθώς το σύνολο του έργου της είναι μεταφρασμένο και κυκλοφορεί σε πολλές χώρες ανά τον κόσμο. Η ίδια έχει επίσης μεταφράσει από τα γαλλικά, τα ιταλικά και τα ρωσικά αρκετά βιβλία.
Το 2012 αναγορεύτηκε επίτιμη διδάκτωρ του Πανεπιστημίου της Κύπρου.
Το 2014 αναγορεύτηκε επίτιμη διδάκτωρ του Τμήματος Επιστημών Προσχολικής Αγωγής και Εκπαίδευσης του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, ενώ το 2015 απέσπασε την ίδια τιμή από το Πανεπιστήμιο Πατρών της Σχολής Ανθρωπιστικών και Κοινωνικών Επιστημών.
Τον Ιανουάριο του 2015 έλαβε τον Χρυσό Σταυρό του Τάγματος της Τιμής, διάκριση που αποδίδεται από τον Πρόεδρο της Δημοκρατίας σε διαπρεπείς προσωπικότητες των τεχνών, των επιστημών και των γραμμάτων, ενώ τον Σεπτέμβριο του 2015 τιμήθηκε από τη Γαλλία με τον τίτλο του Ταξιάρχη του Τάγματος των Τεχνών και των Γραμμάτων (Commandeur de l’Ordre des Arts et des Lettres).
Έφυγε από τη ζωή πλήρης ημερών στις 27 Φεβρουαρίου 2020.