Φοίτησε αρχικά στην ιδιωτική Ιόνιο Σχολή, όπου γνώρισε τη φίλη της και μετέπειτα συγγραφέα Ζωρζ Σαρή, αλλά τα τελευταία τρία χρόνια του γυμνασίου πήγε στην επίσης ιδιωτική Σχολή Αηδονοπούλου. Εκείνη την περίοδο ο θείος της, Πλάτων Σωτηρίου (αδελφός της μητέρας της), παντρεύτηκε τη γνωστή συγγραφέα Διδώ Σωτηρίου, η οποία βοήθησε την Άλκη Ζέη να ασχοληθεί με τη συγγραφή.
Κατοχή και εξορία
Κατά την περίοδο της κατοχής έχει δηλώσει πως είχε ενταχθεί στην ΕΠΟΝ, παρακινούμενη από την Διδώ Σωτηρίου. Παράλληλα σπούδασε φιλοσοφία του θεάτρου στην Φιλοσοφική του πανεπιστημίου των Αθηνών και υποκριτική στη δραματική σχολή του Εθνικού Ωδείου Αθηνών.
Ενώ φοιτούσε στη δραματική σχολή το 1943 γνώρισε τον μελλοντικό της σύζυγο, το θεατρικό συγγραφέα Γιώργο Σεβαστίκογλου, με τον οποίο παντρεύτηκε το 1945. Το 1948, ύστερα από την ήττα του ΔΣΕ στον εμφύλιο, ο σύζυγός της διέφυγε στην Τασκένδη.
Η Ζέη προσπάθησε να τον ακολουθήσει αλλά την συνέλαβαν και την εξόρισαν στη Χίο λόγω των πολιτικών της πεποιθήσεων. Ύστερα από προσπάθειες έξι ετών, και αφού έμεινε για καιρό στην Ιταλία, το 1954 επανασυνδέθηκε με τον σύζυγο της στην Τασκένδη. Απέκτησαν δυο παιδιά, την Ειρήνη και τον Πέτρο.
Το 1957 μετακόμισαν στη Μόσχα, όπου σπούδασε και στο τμήμα σεναριογραφίας του Ινστιτούτου Κινηματογράφου της Μόσχας. Το 1964 επέστρεψε στην Ελλάδα για να ξαναφύγει πάλι το 1967, με τον ερχομό της Χούντας -αυτή τη φορά για το Παρίσι- και να επιστρέψει οριστικά όταν έπεσε η απριλιανή δικτατορία.
Το μεγάλο συγγραφικό έργο
Κατά τη διάρκεια της παραμονής της στην ΕΣΣΔ συνέχισε το γράψιμο και μια σειρά παιδικών διηγημάτων της δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό για τους νέους Νεανική Φωνή, που είχε ως συντακτική επιτροπή τον Μάριο Πλωρίτη, τον Τάσο Λιγνάδη και τον Κωστή Σκαλιώρα.
Το πρώτο της μυθιστόρημα, το αυτοβιογραφικό «Το καπλάνι της βιτρίνας», γράφτηκε το 1963 ενώ ήταν στη Μόσχα. Αποτελεί έργο-σταθμό στην ελληνική παιδική λογοτεχνία, όντας το πρώτο ίσως παιδικό βιβλίο με πολιτικές αναφορές, πιο συγκεκριμένα στη δικτατορία του Ιωάννη Μεταξά.
Το 1971 και ενώ ήταν εξόριστη στο Παρίσι, έγραψε τον «Μεγάλο περίπατο του Πέτρου», αυτή τη φορά με θέμα την Κατοχή και την απελευθέρωση. Το σημαντικό στα ιστορικά της μυθιστορήματα είναι ότι δεν αποτελούν μια απλή καταγραφή ιστορικών γεγονότων αλλά είναι ζυμωμένα με τα αυτοβιογραφικά βιώματα των ηρώων της.
Μαζί με τη Ζωρζ Σαρή, με την οποία γνωρίζονταν από τα σχολικά τους χρόνια, καθιέρωσε ένα νέο στυλ στο νεανικό μυθιστόρημα, τόσο από την άποψη του ζωντανού, αυτοβιογραφικού ύφους όσο και της εισαγωγής του πολιτικού, κοινωνικού και ιστορικού στοιχείου στο είδος.
Το εφηβικό μυθιστόρημα «Η Κωνσταντίνα και οι αράχνες» της κέρδισε το 2003 τοβραβείο εφηβικού μυθιστορήματος του Κύκλου Ελληνικού Παιδικού Βιβλίου(ελληνικό τμήμα της IBBY), ενώ το 2004 η Ζέη ήταν υποψήφια για το βραβείο Χανς Κρίστιαν Άντερσεν και το βραβείο Άστριντ Λίντγκρεν λογοτεχνίας.
Το Βραβείο Mildred L. Batchelder της απονεμήθηκε για τις εκδόσεις στις Ηνωμένες Πολιτείες των έργων της «Το καπλάνι της βιτρίνας», «Ο μεγάλος περίπατος του Πέτρου» και «Κοντά στις ράγες».
Το 2010 τιμήθηκε με το βραβείο της Ακαδημίας Αθηνών για το σύνολο του έργου της και το 2014 αναγορεύτηκε σε επίτιμη διδάκτορα του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για να τιμηθεί με τον τρόπο αυτό η προσφορά και το έργο της στην παιδική λογοτεχνία. Το 2015 αναγορεύτηκε επίτιμη διδάκτωρ Ανθρωπιστικών και Κοινωνικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Πατρών.