Il suo impegno politico inizia negli anni dei movimenti studenteschi. In breve tempo diventa consigliere comunale e segretario provinciale del Partito Comunista Italiano.
La sua carriera politica prosegue a Roma: Piero Fassino lo porta nella direzione nazionale del partito. In via delle Botteghe Oscure (sede del PCI) ricoprirà la carica di direttore del settore immigrazione ed emigrazione.
Il 13 giugno 2004 il confronto elettorale si ripete: Zanonato viene eletto sindaco di Padova al primo turno con il 53,4% delle preferenze. Il sindaco, divenuto durante questo mandato famoso per la costruzione del "muro" di via Anelli, ha aderito nel 2007 al Partito Democratico, coordinato all'epoca da Walter Veltroni e Dario Franceschini. Il 22 giugno 2009 viene riconfermato sindaco di Padova, ottenendo al ballottaggio il 52% delle preferenze contro il 48% del candidato del centro-destra Marco Marin.