У Ермольевой было пять братьев и сестёр. Когда в 1909 г. умер глава семьи, заботу о детях взяла на себя их мать Александра Гавриловна. Она отправила Зинаиду и её старшую сестру Елену в Новочеркасск учиться в Мариинской женской гимназии – на хуторе не было учебных заведений.
Ввиду военного положения на медицинский факультет университета принимали только юношей. Однако в 1915 г. в Ростов-на-Дону из Варшавы эвакуировался Женский медицинский институт. Зинаида вместе с матерью написала прошения ректору и атаману Донского войска о зачислении. В итоге ей удалось поступить.
Ермольева со второго курса увлеклась микробиологией. Вела научную работу под руководством профессора Владимира Барыкина, специализирующегося на возбудителях холеры.
В 1921 г. окончила институт и была оставлена ассистентом на кафедре микробиологии.
В 1922 г. на Дону вспыхнула эпидемия холеры, и Еромольеву назначили заведующей отделением бактериологического института. Исследуя пути заражения, она сумела выделить из водопроводной воды холероподобные вибрионы. Чтобы понять, способны ли они вызвать холеру, она провела опыт на себе. Ермольева выпила воду с растворёнными в ней микробами – и спустя несколько часов почувствовала себя плохо. Она тяжело заболела и едва не умерла. Таким образом, 24‐летняя девушка сделала открытие – светящиеся холероподобные вибрионы впоследствии стали носить её имя.
На основании опытов микробиолога были созданы санитарные нормы хлорирования воды, которые используются до сих пор.
К 1939 г. Ермольева была командирована на профилактику начинающейся холерной эпидемии в Афганистан. Там она изобрела методы экспресс-диагностики болезни и создала мощный препарат, который оказался эффективен не только при холере, но при брюшном тифе и дифтерии. За эту разработку Ермольевой было присвоено звание профессора.
В 1942 г. она была направлена в осаждённый Сталинград, где в немецких войсках началась эпидемия холеры. Чтобы предотвратить распространение болезни среди жителей города и советских военных, Ермольева развернула производство бактериофага – полсотни тысяч человек ежедневно получали этот спасительный препарат. Также она провела хлорирование колодцев и организовала массовые прививки. За это микробиолог получила Сталинскую премию, которую пожертвовала на строительство истребителя, названного в её честь – «Зинаида Ермольева».
Ермольева ещё в юности начала заниматься исследованием свойств плесени. Опыты были успешными, но медицинские чиновники настояли на их прекращении, назвав это мракобесием.
Во время Второй мировой войны западные учёные наладили производство пенициллина, но продавать технологию СССР не хотели. Ермольевой порекомендовали продолжить её работы с плесенью.
Микробиолог вместе с коллегами приносила в лабораторию плесень с деревьев и газонов и выращивала её на продуктах. 93‐й по счёту образец, плесень со стены бомбоубежища, показал необходимую активность. После первых успешных испытаний в Москве Ермольева отправилась тестировать крустозин в военные госпитали. Так появился советский отечественный препарат, который спас многих раненых от смерти и инвалидности.
В феврале 1944 г. в СССР приехала делегация западных учёных во главе с Говардом Флори, открывшим пенициллин (и получившим через год за это Нобелевскую премию), чтобы сравнить западное лекарство с отечественным. Крустозин оказался эффективнее зарубежного аналога.
В 1945–1947 гг. Ермольева была директором Института биологической профилактики инфекций. В 1947 г. на базе института был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт пенициллина (позднее – Всесоюзный научно-исследовательский институт антибиотиков), в котором она заведовала отделом экспериментальной терапии.