Сразу после начала войны девушку мобилизовали на строительство оборонительных укреплений, а в 1942 году — призвали на фронт в ряды Рабоче-Крестьянской Красной Армии. Зинаида воевала на Сталинградском и Воронежском фронтах, участвовала в Сталинградской и Курской битвах. Находясь на передовой, девушка не только оказывала медицинскую помощь раненым, но и отбивалась от врагов. 26 октября 1943 за проявленные Зинаидой Самсоновой мужество и героизм командир 667-го стрелкового полка написал на неё представление к званию Героя Советского Союза.
Тепло отзывалась о Зине ее однополчанка, известная поэтесса Юлия Друнина: «Она всегда была впереди, а когда впереди девушка, можно ли мужчинам показывать свой страх?» Позднее она посвятила боевой подруге стихотворение «Зинка».
27 января 1944 года в ходе Калинковичско-Мозырской наступательной операции за белорусскую деревню Холма старший сержант Зинаида Самсонова погибла. При эвакуации раненого ее застрелил фашистский снайпер. 3 июня 1944 года Указом П