Rođen je 1966. u Zagrebu, no često spominje da su mu korijeni u Glavicama pokraj Sinja. Otac Stjepan za vrijeme komunizma bio je partijski dužnosnik. Bio je dobar s Mikom Tripalom i prijatelj s braćom Veselica pa su mu zbog toga izmakle visoke dužnosti. Stipe Milanović devedesetih se učlanio u HDZ, a znao je braniti Tuđmana od napada oporbe
Malog Zorana baka je bez znanja njegovih roditelja odnijela na krštenje i dala mu krsno ime Marijan. Obitelj Stipe Milanovića, Zoranova oca, do 1970. živjela je na Knežiji, nakon čega su dobili novi stan i preselili se u na Trnje
Gina (Đurđica) Milanović, majka Zorana Milanovića, bila je nastavnica engleskog i njemačkog, a otac Stipe ekonomist. Kao dječak Milanović je dobio nadimak Basta, koji ga je pratio sve do fakulteta. Osnovnu školu upisao je 1973. Oni koji ga znaju iz tog vremena opisuju ga kao odličnog, ali temperamentnog učenika. Njegova biografija bilježi mnoge zanimljive crtice. Kad je izabran za predsjednika razreda, potukao se s jednim dječakom. "Odličan početak, Milanoviću", navodno mu je tada dobacila nastavnica
Nastavu na fakultetu počeo je pohađati početkom akademske godine 1986. U travnju 1990. Milanović je, zajedno s kolegom Sinišom Petrovićem te kolegicama Tamarom Čapetom i Dubravkom Bojić, postigao velik uspjeh na natjecanju iz međunarodnog prava u Den Haagu i zaslužio Rektorovu nagradu
Nakon studija dobio je mjesto pripravnika na Trgovačkom sudu u Zagrebu. No s obzirom na to da je Ministarstvo vanjskih poslova tražilo mlađe ljude, stručnjake koji znaju jezike, Siniša Petrović preporučio je Ivanu Šimonoviću baš Milanovića. Tako je 1993. dobio posao u Ministarstvu vanjskih poslova
Godine 1994., kao pripadnik OESS-a, otišao je u Nagorni Karabah u Azerbajdžanu, gdje se zadržao mjesec i pol. Dvije godine poslije, 1996., imenovan je savjetnikom u hrvatskoj misiji pri NATO-u i EU u Bruxellesu, gdje je radio četiri godine. Za tu poziciju Tuđmanu ga je preporučio Zlatko Canjuga. Misiju je vodio Janko Vranyczany-Dobrinović, koji je bio zadovoljan Milanovićem. Dok je bio u misiji, Milanović je završio poslijediplomski studij europskog i komparativnog prava, a njegova supruga Sanja magistrirala je na frankofonskom sveučilištu Universite Libre de Bruxelles
Milanovići su u Bruxellesu dobili i prvoga sina Jakova. Krajem 1999. vratili su se u Zagreb, a Milanović je postao član SDP-a. Nakon što je SDP izgubio izbore 2003., Milanović je odlučio napustiti MVP i prihvatiti poziv Ivice Račana da se angažira u radu stranke. Do 2006. obavljao je razne periferne dužnosti, a onda se dogodio preokret. Račan je Milanovića 2006. imenovao za koordinatora medijskih aktivnosti (medijske strategije i analize) u proširenom uredu odnosa s javnošću SDP-a. No brzo je maknut s toga mjesta
Nakon Račanove smrti, postaje predsjednik SDP-a. Prvi nacionalni izbori na kojima se okušao bili su 2007., u vrijeme kada je hrvatskom političkom scenom dominirao Ivo Sanader. HDZ je tada pobijedio
Dobio je izbore 2011. Njegova mandat ostao je u sjećanju po lex Perkoviću, pomaganju Hrvatima u BiH, najavi monetizacije autocesta, najave outsourcinga usluga u zdravstvu, odustajanju od arbitraže sa Slovenijom o razgraničenju nakon što se otkrilo da su Slovenci "kontaminirali" arbitražni proces. Mandat mu je obilježila i duboka gospodarska kriza i repovi koji je ostavila vlada prije njega. Kao predsjednik Vlade pomogao je obrani generala Gotovine i Markača u svakom pogledu
Povukao se s mjesta predsjednika SDP-a u studenom 2016. kada ga je naslijedio Davor Bernardić. Nakon ostavke osnovao je savjetničku tvrtku EuroAlba Advisory. Prvi ozbiljan posao dobio je 2017. od albanskog premijera Edija Rame. Te godine imenovan je i predsjednikom Diplomatskog vijeća Visoke škole međunarodnih odnosa i diplomacije Dag Hammarskjöld u Zagrebu
Nakon povratka u politiku 2019. godine kandidirao se i pobijedio na predsjedničkim izborima te 2020. godine postaje peti predsjednik Republike Hrvatske.