У 1962 році створила і очолила першу в Україні лабораторію з вивчення етіології і патогенезу лейкозу, яка пізніше перетворилася на відділ механізмів лейкогенезу. У 1969 році, після захисту дисертації на тему: «Роль рибонуклеїнової кислоти у розвитку лейкозу», дослідниці було присуджено вчений ступінь доктора медичних наук, а в 1970 році присвоєно звання професора.
В 1978 році Зою Андріївну обрали членом-кореспондентом, а в 1990 році — академіком НАН України за спеціальністю «експериментальна онкологія». У 1998 році їй було присвоєно почесне звання «Заслужений діяч науки і техніки України».
Зоя Бутенко разом зі своїми учнями розробляла найактуальніші питання сучасної медицини, пов'язані із з'ясуванням причин виникнення і природи злоякісних захворювань системи крові. Основними напрямами її наукової діяльності були фундаментальні дослідження клітинних і молекулярних механізмів розвитку лейкозу та злоякісних лімфом, розробка методів ранньої діагностики різних форм гемобластозів, принципів патогенетичної терапії.
Зробила значний внесок у створення сучасної клонально-селекційної теорії канцерогенезу, вперше з'ясувала роль РНК у злоякісній трансформації клітин крові, одержала пріоритетні дані про структурні та функціональні порушення геному, асоційовані з лейкозогенезом. Великим внеском у науку є також дослідження біологічних властивостей та ультраструктури лейкозних клітин, пошук і застосування ефективних індукторів їхнього диференціювання.
Була фундатором нового напряму в онкогематології — вивчення структури і функцій стовбурових гемопоетичних клітин та їх ролі при лейкозі. Особливо плідно працювала над вирішенням питань молекулярної лейкозології. На основі одержаних нею та її учнями результатів було розроблено і впроваджено принципово нові методи молекулярно-генетичної діагностики гемобластозів, що набуло особливого значення у зв'язку з необхідністю прогнозувати віддалені наслідки аварії на ЧАЕС.
Брала участь у виконанні багатьох наукових програм, у роботі світових конгресів і конференцій, була ініціатором проведених у Києві у різні роки міжнародних симпозіумів «Стовбурові і імунокомпетентні клітини у нормі і при пухлинному рості», «Стовбурові клітини і злоякісний ріст», на яких з доповідями виступали провідні вчені з багатьох країн світу.
Була автором більш як 300 наукових публікацій, 10 монографій і посібників, серед яких найбільш відомі:
«Роль РНК у злоякісній трансформації клітин при лейкозі»;
«Цитохімія і електронна мікроскопія клітин крові та кровотворних органів»;
«Стовбурові кровотворні клітини і лейкоз»;
«Лейкозні клітини: походження, ультраструктура, диференціювання»;
Підготувала близько 30 докторів і кандидатів наук.
Громадська діяльність
Зоя Бутенко була членом Європейських асоціацій гематологів та онкологів, головою спеціалізованої вченої ради з онкології та радіобіології, членом експертної ради ВАК України, членом редколегій журналів «Доповіді НАН України», «Експериментальна онкологія», «Онкологія».
Вшанування пам'яті
На будинку Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології імені Р. Кавецького, по вулиці Васильківській, 45, в якому працювала Зоя Андріївна, встановлено гранітнумеморіальну дошку[3].
