Po očevoj želji upisao je pravo u Beogradu, potom studirao i na Arhitektonskom i Filološkom fakultetu; uporedo je oprobao glumačke mogućnostu u KUD „Ivo Lola Ribar“, potom upisao i postupno apsolvirao glumu na Akademiji za pozorište, film, radio i televiziju te započeo karijeru u Beogradskom dramskom pozorištu (1962—1968), u kome isprva nastupa u manje značajnim predstavama. Godine 1964, zbog odustajanja Ljube Tadića, Radmilović uskače u naslovnu ulogu u „Kralju Ibiju“ (na sceni Ateljea 212), predstavi koju pretvara - razotkrivajući potpuno izuzetnu glumačku nadarenost - u trijumf improvizacije (veliki uspeh ostvaruje i na gostovanjima u Parizu, Moskvi, Njujorku, Veneciji i dr.), u „svoju scenu“ koja će trajati (zajedno s kasnijim Radovanom III Dušana Kovačevića) dve decenije. Iako je ostvario niz uspelih uloga u pozorištu (stalni je član Ateljea 212 od 1968. godine do smrti), na filmu, televiziji i estradi, sve su one ostale u senci „uloge života“ u „Kralju Ibiju“ (čak i kad se radi o briljantnom ostvarenju - ulozi Molijera u istoimenom komadu M. A. Bulgakova, za koju je nagrađen Oktobarskom nagradom grada Beograda).
Na filmu je debitovao 1962. godine (Čudna devojka, Jovana Živanovića) i odigrao oko dvadeset uloga. Glavne je ostvario u filmovima Glineni golub (T. Janić, 1966), Ram za sliku moje drage (Mirza Idrizović, 1968), Pogled u noć (N. Stojanović, 1968), Paviljon 6 (L. Pintilije, 1978), Srećna porodica (Gordan Mihić, 1980).
Svoju poslednju 299 predstavu "Radovan III" je održao 9. juna 1985. godine uz velike bolove, ali opet uz njegovu veliku želju predstava je održana do kraja. Samo tri dana kasnije prebačen je u bolnicu iz koje se nije vratio. Preminuo je 21. jula 1985. godine, kremiran je a njegova urna se nalazi u Aleji zaslužnih građana na Novom Groblju u Beogradu.
Nagrade - 1983. nagrada Dobričin prsten ( Nekoliko dana pred smrt primio je, u bolničkoj postelji, Sedmojulsku nagradu SR Srbije.)
Oktobarska nagrada grada Beograda; Nagrada „Zoranov brk“ se dodeljuje svake godine u čast Zorana Radmilovića na manifestaciji „Dani Zorana Radmilovića“ u Zaječaru. Nagrada je ustanovljena 1991. godine. Nagrada Zoran Radmilović dodeljuje se od 1988. u okviru Sterijinog pozorja u Novom Sadu, dodeljuju je „Novosti“.
Zanimljivosti - Velika je sličnost između Radmilovića i Slobodana Aligrudića. I pored toga što su umrli u istom periodu, njihovi karakteri su se neobično poklapali. Obojica su bili: druželjubivi, duhoviti, cinični, šarmantni, preki, osećajni, setni, jogunasti, nepoverljivi, isključivi i arogantni. Takođe, obojica su gradili slobodu glume, koja druge glumce nije ometala, već im davala na značaju. Bili su prožeti snažnom akcijom da se lik oslobodi svega što bi na njemu moglo biti lažno, izveštačeno i neuverljivo.
Ulica u Zoranovom rodnom Zaječaru nosi njegovo ime, kao i jedna ulica u Beogradu. Postoje i njegovi spomenici u oba grada. 21. jula 2010. na njegovoj kući u Mileševskoj ulici u Beogradu postavljena je spomen ploča u Radmilovićevu čast, u organizaciji Ateljea 212 i čelnika opštine Vračar.
