Federico Faggin, Entwickler des Intel 4004, und Ralph Ungermann aus dem Intel-8080-Team verließen Intel Ende 1974 und gründeten ein eigenes Unternehmen. Masatoshi Shima, der den Intel 8080 auf Transistorebene entworfen hatte, stieß im April 1975 dazu. Mit Risikokapital von Exxon Enterprises gründeten die drei die Firma Zilog.

Ziel war ein 5-Volt-Chip, der binärkompatibel zum verbreiteten Intel 8080 sein sollte und zugleich Funktionen des Motorola 6800 bot, um beide Märkte zu bedienen. Shima setzte das Design mit 8.200 Transistoren um, deutlich mehr als die 4.800 des 8080. Ein elfköpfiges Team lieferte den ersten funktionierenden Prototyp am 9. März 1976, exakt im Zeitplan, das gesamte Projekt kostete unter 400.000 Dollar.

Der Z80 nutzte einen 8-Bit-Datenbus und einen 16-Bit-Adressbus, beherrschte alle 78 Befehle des Intel 8080 plus zusätzliche Instruktionen, besaß 20 8-Bit- und 4 16-Bit-Register und konnte bis zu 64 Kilobyte Speicher ansprechen.

Der Chip steckte in Heimcomputern wie dem Radio Shack TRS-80, dem SORD M23P und M5, dem Sinclair ZX81 und ZX Spectrum sowie dem Kaypro II, die meisten davon liefen unter CP/M. Mitte der 1980er verlor er mit dem Aufkommen von Intels 16-Bit-Prozessoren Marktanteile im PC-Bereich, blieb aber in Industrie- und Unterhaltungselektronik präsent.

Zilog fertigt bis heute Z80-basierte Prozessoren und Peripheriecontroller. Die weiterentwickelte Variante eZ80 steckt in den Taschenrechnern TI-84 und TI-84 Plus von Texas Instruments und hält damit eine fünfzig Jahre alte Architektur im Klassenzimmer am Leben.