Родилась в Башкирии в городе Уфа в татаро-башкирской семье. Отец — Талгат Талхоевич Рамазанов, учитель истории. Мать — Флорида Хакиевна, врач-специалист по лечебной физкультуре.

19 лет своей жизни Земфира отдала музыке: в пять лет мама отвела её в музыкальную школу, на класс фортепиано, где её приняли в хор вокалисткой. Тогда же состоялся первый теледебют певицы: она спела соло на местном телевидении песню про червячка: «Жил на свете червячок, червячок ленивый. Спать ложился на бочок».

Уже в дошкольном возрасте Земфира увлеклась рок-музыкой, слушая «Black Sabbath», «Nazareth» и «Queen»; в списке её первых музыкальных работ — песня о любви к группе «Black Sabbath». В школе Земфира успевала заниматься одновременно в 7 кружках, но делала основные акценты на музыке и баскетболе; она закончила музыкальную школу с отличием, а в начале 1990-х годов стала капитаном женской юниорской сборной России по баскетболу, несмотря на то, что высоким ростом не отличалась (рост Земфиры сейчас — 172 см).

Параллельно Земфира самостоятельно училась играть на гитаре и прямо на улице исполняла песни «Кино», «Аквариума», «Наутилуса». По окончании школы Земфира оказалась перед весьма сложным для себя выбором: музыка или баскетбол. Девушка выбрала музыку и поступила сразу на второй курс в Уфимское училище искусств, которое закончила с красным дипломом по специальности «эстрадный вокал».