Már húszévesen a filozófia doktora lett. Az I. világháború miatt az egyetemet Innsbruckba költöztették; Meszlényi Zoltánt itt szentelte pappá 1915-ben Franz Egger püspök. Egy évvel később a teológiai doktorátust is megszerezte.
Papi szolgálatát Komáromban kezdte meg. Hat hónapi káplánkodás után Esztergomba helyezték, mert ott volt szükség nyelvtudására és kánonjogi képzettségére. Csernoch János bíboros őt bízta meg az egyházmegyék átszervezésével. A következő esztergomi érsek, Serédi Jusztinián prímási irodaigazgatóvá nevezte ki. Negyvenhat évesen, 1937-ben szentelték püspökké. Jelmondatául ezt választotta: Bizalommal és hűséggel.
1939-ben a Pázmány Péter Tudományegyetem teológiatanára lett. A II. világháború alatt a Szociális Missziótársulatban a XIII. Leó pápa által ajánlott jótékonyságra biztatta híveit. Mindszenty József, miután esztergomi érsek lett, a katolikus egyetem szervezését bízta rá. Ez végül nem valósult meg, mert a bíborost 1948. december 26-án elhurcolták az államvédelem emberei. Az iskolákat államosították, a szerzetesrendeket föloszlatták, az egyházi vagyont elkobozták. A bebörtönzött érseket előbb Drahos János kanonok helyettesítette, majd az ő halála után, 1950 nyarán Meszlényi Zoltán segédpüspököt választották káptalani helynöknek. Rákosi Mátyás és Kádár János (utóbbi ekkor belügyminiszter volt) hatalmi szóval Beresztóczy Miklóst jelölte az esztergomi érsek helyébe. Mivel a szóbeli meggyőzés nem hatott, Meszlényi Zoltánt 1950. június 29-én éjjel elhurcolták, iratait elkobozták, lakását kifosztották. Előbb a recski büntetőtáborba, majd a kistarcsai börtönbe vitték. (Beresztóczy személyét XII. Piusz pápa nem fogadta el, és Hamvas Endre csanádi megyéspüspököt nevezte ki Esztergomba érseki adminisztrátornak.)
Meszlényi Zoltán kistarcsai golgotája nyolc hónapig tartott. Fűtetlen magánzárkában, télen is nyitott ablaknál raboskodott. 248 napon át kínozták, éheztették, éles kavicsokon járatták mezítláb, megtörni mégsem tudták. Nem folyt ellene nyilvános per, ítélet nélkül tartották fogva. Halálát feltehetőleg az elszenvedett embertelen megpróbáltatások okozták, és az orvosi ellátás hiánya. Minden valószínűség szerint 1951. március 4-én szenvedett vértanúhalált. Az esetet titokban tartották, halálának dátumát 1953. január 11-ére hamisították. Tizenöt évig nyugodott jeltelen sírban az Új köztemető 249. parcellájában. 1966. június 22-én, a nyilvánosság kizárásával exhumálták. Másnap ugyancsak csendben temették el Esztergomban, a bazilikában.
