Zuhal Olcay İstanbul’da doğdu. Ankara Devlet Konservatuvarı’nda 5 yıllık eğitimden sonra, 1976’da Tiyatro Yüksek Bölümünü bitirdi. 10 yıl boyunca İstanbul, İzmir ve Ankara Devlet Tiyatroları’nda görev aldı. Bu yıllar içinde Boş Beşik, Deli Dumrul, Othello gibi oyunlarda önemli roller üstlendi.
1983’ten itibaren çeşitli televizyon yapımlarında da  rol alan Olcay, ilk televizyon filmi ‘Sönmüş Ocak’ için kamera önüne geçti.
1985 tarihli TV dizisi ‘Parmak Damgası’ ve ardından ‘Gecenin Öteki Yüzü’ ile adından bahsettirmeye başlayan oyuncu, tiyatroda da oyunculuk yapmaya devam ediyordu.
1984 yılında ‘İhtiras Fırtınası’ ile “En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu”
1985 yılında Amansız Yol filmi ile de “En İyi Kadın Oyuncu” ödülünü aldı.
1986’da Martı adlı tiyatro oyunundaki performansıyla, “Avni Dilligil Tiyatro Ödülü”ne layık görüldü.
Sanatçı, 1988 yılında İrma karakterini canlandırdığı Balkon adlı oyundaki başarısıyla da “Ankara Sanat Ödülü”nün sahibi oldu.
1989 yılında Evita müzikalinde Eva Peron’u canlandırdığında, şarkıcılığıyla dikkatleri üzerine çekti. Aynı yıl ‘Sahte Cennete Veda’ adlı filmdeki Elif rolüyle, Almanya’da “Altın Film Şeridi En İyi Kadın Oyuncu” ödülünü kazanarak uluslararası bir başarı elde etti.
Olcay’ın müzikal yolculuğunu başlatan ‘Evita’ müzikalinin ardından, ‘Dünden Sonra, Yarından Önce’ filmi geldi. Film, Olcay’ın seslendirdiği aynı adlı şarkıyla büyük ilgi topladı.
Onno Tunç, Mehmet Teoman, Vedat Sakman, Selim Atakan, Bülent Ortaçgil ve Gürol Ağırbaş  gibi isimlerle  çalışan Zuhal Olcay’ın Küçük Bir Öykü Bu (1990), Oyuncu (1993), İki Çift Laf (1996), İhanet (1998), Başucu Şarkıları (2001), Başucu Şarkıları 2 (2005), Aşk’ın Halleri  (2009) isimli 7 solo albümü bulunmaktadır.
Solo albümlerinin yanında çeşitli sanatçıların yer aldığı bir çok kollektif albümde yer aldı.
Cengiz Onural’ın bestelerinden oluşan ve Zuhal Olcay’ın da rol aldığı ‘Hiçbiryerde’ isimli filmin müzikleri 2002 yılında albüm olarak yayınlandı.
Yeditepe İstanbul, Geniş Zamanlar gibi sevilen birçok dizi ve televizyon showlarında rol alan sanatçı, müzik direktörlüğünü Gürol Ağırbaş'ın üstlendiği ‘Mevzuhal’ adlı müzik programında  ülkemizin önemli müzisyenlerini ağırladı.