Née à Swansea, d'un père gallois et d'une mère d'origine irlandaise, elle a deux frères. Dans sa jeunesse elle subit une trachéotomie qui lui laisse une cicatrice. Elle est mariée avec l'acteur Michael Douglas depuis 2000 (qui a 25 ans de plus qu'elle), avec qui elle a deux enfants (Dylan Michael Douglas [né le 08 août 2000] et Carys Zeta Douglas [née le 20 avril 2003]). Pour son nom de scène, elle a ajouté à son nom (Jones) le surnom de sa grand-mère (Zeta).

Elle apparaît en 1987 dans Forty-Second Street où son apparence exotique alliée à ses capacités de chant et danse semblent lui promettre un brillant avenir. En 1989 elle joue Mae Jones avec L'English National Opera dans un opéra de Kurt Weill intitulé Street Scene. Elle débute au cinéma dans le rôle de Shéhérazade dans Les 1001 nuits (1990), film français de Philippe de Broca aux côtés des célèbres acteurs français Gérard Jugnot et Thierry Lhermitte grâce à son charme oriental. Mais c'est en 1991, dans une adaptation de The Darling Buds of May (H. E. Bates), qu'elle se fait un nom.

Après plusieurs seconds rôles, elle est repérée par Steven Spielberg dans une série télévisée retraçant le naufrage du Titanic en 1996. C'est alors qu'elle enchaîne au cinéma dans le film de Martin Campbell : Le Masque de Zorro sorti en 1998, avec Antonio Banderas et Anthony Hopkins pour partenaires. Ce film lance définitivement sa carrière dans les films à gros budget américains.

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