Осенью 1941 Зоя пошла в десятый класс. Тогда была вероятность, что столицу захватят: это было самое тяжёлое время для обороны Москвы. Зоя узнала о том, что в городе начался отбор комсомольцев, и по собственной инициативе пошла в райком комсомола. Её приняли в 9903-ю воинскую часть (одну из самых секретных в Красной армии). Начальником был разведчик-диверсант Артур Спрогис. Во время битвы под Москвой в этой воинской части разведотдела Западного фронта было подготовлено 50 боевых групп и отрядов. За сентябрь 1941 – февраль 1942 года они совершили 89 проникновений в тыл противника, уничтожили 3500 немецких солдат и офицеров, взорвали 13 цистерн с горючим и 14 танков.

Зоя отличилась при выполнении задания, когда ей и её товарищам нужно было сжечь в тылу противника 10 населённых пунктов в Подмосковье. Ребятам было сложно выполнять это задание, команда потеряла многих: кто-то был убит, кто-то захвачен в плен. Девушке удалось поджечь три дома в Петрищево, в которых располагалась германская армия. Она попыталась осуществить ещё один поджог, но была схвачена фашистами. Несмотря на пытки и издевательства Зоя не выдала никого из своих товарищей, не сказала номер части и не дала никаких других сведений, составлявших в то время военную тайну. Она не назвала даже своего имени, сказав на допросе, что её зовут Таней. Было решено казнить разведчицу. Перед смертью она успела крикнуть врагам: «Сколько нас не вешайте, всех не перевешаете, нас 170 миллионов. Но за меня вам наши товарищи отомстят». После казни её тело висело в петле ещё больше месяца. Только 1 января 1942 года тело Зои Космодемьянской похоронили.