L'essentiel du travail d'un vétérinaire de zoo est de veiller à ce que les animaux restent en bonne santé. Il est ainsi amené à travailler sur de nombreuses espèces d'animaux. Il joue à la fois le rôle de pathologiste, de clinicien, d’épidémiologiste, de chercheur, de conservateur de biotopes et d’éleveur.
Assisté par les soigneurs animaliers, il surveille l'état de santé des animaux dans un zoo ou un parc animalier. En effet, il s'occupe des vaccinations, des vermifuges, mais également des soins des blessures et éventuellement des maladies. Par ailleurs, en cas de décès d'un animal, il réalise une autopsie.
Outre le travail sur le terrain, le vétérinaire de zoo travaille aussi dans un laboratoire et dans un bureau. Lors d'un transfert d'un animal, c'est lui qui fait la demande des papiers nécessaires auprès des autorités. Avant ce transfert, il doit également effectuer un examen préalable et des tests sanitaires sur l'animal. Il collecte en outre des données sur les espèces qui composent la collection du zoo ou du parc animalier. Ces données concernent en général les besoins alimentaires et les réactions de chaque espèce aux soins et traitements comme les anesthésiants. Enfin, il réalise des inséminations artificielles pour certaines espèces et le suivi des nouveau-nés.