Federico Faggin, diseñador del Intel 4004, y Ralph Ungermann, del equipo del Intel 8080, dejaron Intel a finales de 1974 para fundar su propia empresa. Masatoshi Shima, quien había diseñado el 8080 a nivel de transistores, se unió en abril de 1975. Con capital de riesgo de Exxon Enterprises, los tres fundaron Zilog.

El objetivo era un chip de 5 voltios compatible en binario con el popular Intel 8080, sumando además funciones del Motorola 6800 para captar ambos mercados a la vez. Shima logró implementar el diseño con 8.200 transistores, frente a los 4.800 del 8080. Un equipo de once personas entregó el primer prototipo funcional el 9 de marzo de 1976, justo en la fecha prevista, con un costo total del proyecto por debajo de los 400.000 dólares.

El Z80 tenía un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits, ejecutaba las 78 instrucciones del Intel 8080 más instrucciones adicionales, contaba con 20 registros de 8 bits y 4 de 16 bits, y podía direccionar hasta 64 kilobytes de memoria.

El chip equipó ordenadores domésticos como el Radio Shack TRS-80, el SORD M23P y M5, el Sinclair ZX81 y el ZX Spectrum, además del Kaypro II, la mayoría capaces de ejecutar CP/M. A mediados de los años ochenta perdió cuota en el mercado de PC frente a los procesadores de 16 bits de Intel, pero se mantuvo presente en aplicaciones industriales y electrónica de consumo.

Zilog sigue fabricando microprocesadores y controladores periféricos basados en el Z80. Su versión mejorada, el eZ80, equipa las calculadoras TI-84 y TI-84 Plus de Texas Instruments, manteniendo viva esta arquitectura de cincuenta años en las aulas.