Она родилась в 1857 году в богатой семье в Сан-Франциско. Нужно заметить, что город в то время имел совсем мало общего с тем, к которому мы привыкли сейчас. Население, составлявшее приблизительно 50 000 человек, состояло в основном из мужчин, стремившихся разбогатеть на золотых приисках. Однако Сан-Франциско был ещё и портом, в который ежедневно прибывали корабли со всего мира. Её мать была дочерью американца и мексиканки, а отец — этническим ирландцем. Поэтому, едва начав говорить, девочка сразу овладела тремя языками: английским, испанским и ирландским. Возможно, именно это предопределило её судьбу и сделало выдающимся учёным-антропологом, раскрывшим все секреты ацтеков. Её звали Зелия Наттолл.
Когда Зелии было 8 лет, её семья уехала из Сан-Франциско в Европу. Сначала они отправились в Ирландию, на родину её отца. В течение 11 лет Наттоллы переезжали из страны в страну, из города в город. Всё это время Зелия обучалась преимущественно у гувернанток и репетиторов, а также в школах Дрездена и Лондона. Годы, проведённые за границей, сформировали у неё интерес к древней истории и расширили языковые навыки — она добавила французский, немецкий и итальянский к своему языковому арсеналу.
Наттоллы вернулись в Сан-Франциско в 1876 году, когда Зелии было почти 20. Два года спустя она познакомилась с молодым французским антропологом Альфонсом Пинаром. Как ему удалось убедить родителей девушки — остаётся загадкой. Тем не менее они поженились в доме Наттоллов 10 мая 1880 года. В течение следующих полутора лет пара посетила множество европейских и центральноамериканских стран, побывав на островах Карибского бассейна.
Именно Пинар познакомил Зелию с академической литературой по этнологии и археологии, благодаря чему она начала разбираться в теориях лингвистики и изучать древний испанский язык.
Этот брак нельзя назвать счастливым. В письмах домой Зелия не раз упоминала, что окружающие принимали их за брата и сестру, а не за супругов. Когда она родила дочь, та прожила всего 11 дней. После долгого путешествия пара вернулась в Сан-Франциско, где Зелия, будучи снова беременной, подала на развод. Быть разведённой в то время считалось позором. Единственным светлым пятном в её жизни стали ребёнок и научные увлечения.
С декабря 1884 по апрель 1885 года она провела в Мексике, исследуя археологические руины. Именно тогда Зелия совершила судьбоносный визит в Теотиуакан и приобрела свои первые артефакты — маленькие терракотовые головки. В то время это место ещё использовалось как сельскохозяйственные угодья, и артефакты оказывались на поверхности во время вспашки.
Эти фигурки находили и другие, более именитые учёные. Однако они подходили к изучению вопроса однобоко, ставя во главу угла теорию о превосходстве белой расы. Зелия же не считала древние цивилизации примитивными или варварскими, как это делали её коллеги, и не придерживалась расовых теорий культурного развития.
Значительную помощь в работе ей оказал Фредерик Уорд Патнэм, куратор Музея археологии и этнологии Пибоди в Гарварде и ведущий эксперт по Мезоамерике. Поражённый способностями женщины, Патнэм пригласил Зелию стать специальным ассистентом по мексиканской археологии в музее Пибоди.
Она смогла классифицировать все находки, распределить их по периодам и даже определить их принадлежность к различным классам. Эти открытия позволили Зелии полностью опровергнуть распространённые представления об африканском, азиатском, европейском или египетском происхождении народов Северной и Южной Америки.
В 1892 году Зелия представила в Испании доклад о каменном календаре ацтеков. Именно она смогла не только расшифровать все символы на нём, но и дать подробные сведения о космологии, сельском хозяйстве и торговле ацтеков.
Так женщина, не получившая системного образования, открыла для мира древнюю культуру Центральной Америки и изменила представления учёных о доколумбовых цивилизациях.