سال ۱۳۲۴ پس از آنکه در امتحان ورودی دانشکده علوم معقول و منقول و دانشکده ادبیات حائز رتبه اول شد، وارد رشته ادبیات فارسی دانشگاه تهران شد. در سال ۱۳۲۷ با رتبه اول دوره لیسانس ادبیات فارسی را به پایان رساند و سال بعد وارد دوره دکترای رشته ادبیات دانشگاه تهران شد. در سال ۱۳۳۴ از رساله دکتری خود با عنوان نقدالشعر، تاریخ و اصول آن که زیرنظر بدیع‌الزمان فروزانفر تالیف شده بود، با موفقیت دفاع کرد.

زرین‌کوب در سال ۱۳۳۰ در کنار عده‌ای از استادان عصر همچون محمد معین، پرویز ناتل خانلری، غلامحسین صدیقی و عباس زریاب خویی برای مشارکت در طرح ترجمه مقالات دایره‌المعارف اسلام (چاپ هلند) دعوت شد.از سال ۱۳۳۵ با رتبه‌ دانشیار کار خود را در دانشگاه تهران آغاز کرد و عهده‌دار تدریس تاریخ اسلام، تاریخ ادیان، تاریخ کلام و تاریخ تصوف در دانشکده‌های ادبیات و الهیات شد. زرین‌کوب چندی نیز در دانشسرای عالی تهران و دانشکده هنرهای دراماتیک به تدریس پرداخت. وی از سال ۱۳۴۱ به بعد در فواصل تدریس در دانشگاه تهران، در دانشگاه‌های آکسفورد، سوربن، هند و پاکستان و در سال‌های ۱۳۴۷ تا سال ۱۳۴۹ در آمریکا به‌عنوان استاد میهمان در دانشگاه‌های کالیفرنیا و پرینستون به تدریس پرداخت. از آثار او می‌توان به «تاریخ در ترازو»، «نه شرقی، نه غربی، انسانی»، «دو قرن سکوت»، «از کوچه رندان»، «با کاروان حله»، «بحر در کوزه» و «تاریخ ایران بعد از اسلام» اشاره کرد.