Проводились разнообразные исследования: результаты одного из них – исследования хлороустойчивости холерных и донских водных вибрионов – были положены в основу санитарных норм, которые предусматривали постоянное наличие в сети водопроводов остаточного хлора как важного средства профилактики опасного заболевания. Ермольева была организатором первой в России лаборатории биохимии микробов. Одним из важных направлений научной деятельности Зинаиды Виссарионовны является изучение холеры. На основании исследований морфологии и биологии холерных и холероподобных вибрионов З. В. Ермольевой был предложен новый метод дифференциальной диагностики этих микроорганизмов. Чтобы доказать роль неагглютинирующихся вибрионов в этиологии кишечных заболеваний, Зинаида Виссарионовна решила провести опасный для жизни эксперимент на себе. Ермольева выделила и изучила вибрион, обладавший необычной способностью светиться в темноте.
Ермольева смогла разработать метод выделения и концентрации лизоцима, установить его химическую природу и использовать в практике. Ею были обнаружены и новые источники лизоцима: редька, хрен, репа... По ее предложению лизоцим стали использовать в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. На разработанные способы консервирования икры (1934) и мочки льна (1943) Ермольевой были выданы авторские свидетельства. В 1935 г. Ермольевой была присуждена докторская степень, а в 1939 г. ее утверждают в ученом звании профессора. Когда в 1939 г. в Афганистане вспыхнула холера, Зинаида Виссарионовна с группой ученых-медиков выехала в Среднюю Азию. Для предотвращения распространения инфекции через границу здесь в профилактических целях был впервые применен созданный ею незадолго до того препарат холерного бактериофага. Важную роль сыграл и другой ценный результат многолетних исследований Ермольевой и сотрудников ее лаборатории – метод экспресс-диагностики холеры.
Особенно большую роль результаты исследований Зинаиды Виссарионовны сыграли в период Великой Отечественной войны в осажденном Сталинграде. Холера была занесена в Сталинград немецкой армией и угрожала нашим войскам распространением. Заслугой Ермольевой является то, что она не только первой в нашей стране получила пенициллин, но и активно участвовала в организации и налаживании промышленного производства этого первого отечественного антибиотика. С 1945 по 1947 г. 3. В. Ермольева — директор Института биологической профилактики инфекций. В 1947 г. на базе этого института был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт пенициллина (в последующем Всесоюзный научно-исследовательский институт антибиотиков), в котором она заведовала отделом экспериментальной терапии. Одновременно с 1952 г. и до конца жизни Зинаида Виссарионовна возглавляла кафедру микробиологии.
В 1960 г. группа ученых, возглавляемая З. В. Ермольевой, впервые в нашей стране получила противовирусный препарат интерферон. Этот препарат был применен впервые для лечения тяжелой формы гриппа в 1962 г. и как профилактическое средство. Препарат применяется и в настоящее время для профилактики гриппа и других острых респираторных вирусных инфекций, а также для лечения ряда вирусных заболеваний в глазной и кожной практике. Ермольева первой из отечественных ученых начала изучать интерферон как противовирусное средство. Позже под руководством З. В. Ермольевой были созданы и внедрены в производство многие новые антибиотики и их лекарственные формы, в том числе экмолин, экмоновоциллин, бициллин, стрептомицин, тетрациклин; комбинированные препараты антибиотиков (дипасфен, эрициклин и др.).
З. В. Ермольева умерла 2 декабря 1974 г.