Ученица Евгения Вахтангова и Михаила Чехова, она стала актрисой Вахтанговской театральной студии; затем, когда с 1926 года студия получила статус театра, вошла в штат Вахтанговского театра, проработав там с 1919 г. по 1958 г.
В 1930—1957 гг. педагог Щукинского училища.Будучи студийкой, познакомилась с молодым студийцем и поэтом Павлом Антокольским; в 1920 году они поженились (до того поэт уже был недолго женат на Наталье Николаевне Щегловой и имел дочь) и прожили вместе всю жизнь. Они получили квартиру в доме, специально построенном для работников театра Вахтангова в 1928 году в Большом Лёвшинском переулке, куда и переехали и поселились на пятом этаже; все соседи приходились друг и другу ещё и сотрудниками. Во время войны они оба выступали во фронтовых бригадах. Сын П. Г. Антокольского от первого брака, Владимир, погиб на войне в 1943 году.Ушла из жизни значительно раньше мужа. Для него это было тяжелейшей потерей. П. Г. Антокольский посвящал памяти жене отчаянные поэтические строки: Все кончено.
Но нет конца — концу.Нет и начала нашему началу.
Но как тебе сегодня не к лицу,Что ты вчера навеки замолчала.Вениамин Каверин, друг П.Антокольского, писал об этом страшном горе: «…Антокольский глубоко понимал талантливую в своей мудрости и умении безотказно делать добро жену. Можно смело сказать, что никого он никогда так не понимал и так не любил, как своего верного, на всю жизнь преданного друга. Только ей одной он позволял держать его в ежовых рукавицах» .Похоронена на Востряковском кладбище. Через десять лет рядом был положен её муж.Помимо того, что 3. К. Бажанова была актрисой по профессии и педагогом актёрского мастерства, у неё было ещё одно творческое дело — она была скульптором по дереву, выставка её работ проходила в Доме литераторов.