Родилась в Бессарабии, в деревне Резина. Художественное образование получила в школе Общества поощрения художеств, которую окончила в 1910 году по специальности живописец по керамике. По окончании обучения была командирована за границу, где изучала живопись по фарфору на известных заводах Дании, Швеции и Франции. По возвращении в Россию работала в частных мастерских художников. В 1912 году поступила на Императорский фарфоровый завод, но в 1914 году ушла и далее четыре года работала сестрой милосердия в военном госпитале. В 1918 году у художницы начинается творческий путь на Государственном фарфоровом заводе в филиале живописного цеха ГФЗ, основанного на базе бывшего училища барона Штиглица.

На фарфоровом заводе Кобылецкая проработала до 1932 года с некоторыми перерывами. В 1924 году вместе с М. Адамовичем, М. Брянцевой, М. Кирилловой и другими художниками она была привлечена к работе на фарфоровых заводах Новгубфарфора. За время работы на ЛФЗ она создала около 1500 оригинальных композиций для росписи фарфоровых изделий. В 1932 году по состоянию здоровья Кобылецкая уходит с завода и начинает заниматься иллюстрированием научных, главным образом ботанических изданий Академии наук СССР, Всесоюзного института растениеводства и других научных учреждений. В 1947 году по договору с ЛФЗ художница выполняет композиции росписи трех фарфоровых сервизов. В последние годы жизни работает художником-иллюстратором в Ботаническом институте Академии наук СССР над изданиями «Флора СССР», «Флора Таджикистана» и атлас Медгиза.

Работы Зинаиды Кобылецкой экспонировались на многочисленных выставках в Петрограде-Ленинграде, в Москве, а также за рубежом. Стоит отметить успех на Международной выставке декоративных искусств в Париже в 1925 году с вручением почетного диплома, международных выставках промышленного и декоративного искусства в Монце и Милане в 1927 году с вручением диплома и золотой медали. Также творчество художницы было признано на всемирных выставках в Париже и Нью-Йорке в 1937 и 1939 годах соответственно.

Основными для Кобылецкой на всем протяжении ее творческого пути оставались цветочные композиции, красота и разнообразие которых достойны восхищения. Главным же вдохновением для неё были произведения С. В. Чехонина, наиболее талантливым последователем которого она стала. Она смогла перенять живописную, по сути, графическую манеру мастера. Кобылецкая стала не только последователем, но и лучшим исполнителем оригинальных работ и графических композиций Чехонина. К известным работам художницы можно отнести блюдо «Декабристы», тарелку с надписью: «Мы превратим весь мир в цветущий сад», чайники «Коммуна» и «Искусство есть одно из средств единения людей», блюдо «Только труд и труд до кровавых мозолей». Свои работы Кобылецкая подписывала «З. Кобылецкая», инициалами «З.К.», инициалами имени, отчества и фамилии, иногда пиктограммой в виде крестика в кружочке.