Obwohl das namensgebende Dorf Zell etwas anderes vermuten lässt, so entspringt der Zeller Bach im Landkreis Oberallgäu bei Sommersberg, wo er die ersten rund 200 Meter zurücklegt. Gespeist auf seinem Weg von zahlreichen Zuflüssen kleinerer Bäche mündet er südlich von Memmingen in den Kressenbach, bevor er in den Memminger Stadtbach übergeht.

Auf einer Gesamtlänge von etwas über 16 km verläuft der Zeller Bach von Sommersberg weiter durch den westlichen Teil des Grönenbacher Waldes, wo er mehrere Weiher speist, östlich an Rothenstein, Frauenkau und Mauken vorbei, bevor er nach über 6 km auf das namensgebende Dorf Zell trifft. In diesem oberen Verlauf sind sowohl an der Quelle selbst wie auch im weiteren Verlauf nach Zell mehrere Biotope ausgewiesen. Das größte Biotop mit Auwäldern und Nasswiesen ist nördlich von Rothenstein. Im nahezu gesamten Verlauf wurde der Bach in den letzten rund 150 Jahren teils erheblich begradigt. So zeigen Karten aus der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts noch einen deutlich kurvenreicheren Verlauf. Dennoch laden entlang des Bachverlaufs bei Bad Grönenbach und Zell Wanderwege ein, die Natur zu erkunden.

Im Laufe von Jahrhunderten standen einige Mühlen entlang des Zeller Bachs. Die erste Ölstampfe oder Ölmühle im Verlauf war bei Greit (um 1800), kurz nachdem der Zeller Bach das Grönenbacher Gemeindegebiet erreicht. Gefolgt von der Burgmühle und Säge in Rothenstein (18. Jahrhundert), der Mühle in Zell und vor Woringen der Holz- und Sägemühle. Weitere Mühlen fanden sich am östlichen Zufluss von den Schlossweihern über das Bad Clevers kommend zum Zeller Bach. So gab es hier die Ober- und Untermühle seit dem 17. Jahrhundert und weiter nördlich die Ölmühle von ca. 1808.

Eine militärisch strategische Bedeutung erlangte der Zeller Bach bei Memmingen. Ab ca. dem 14./15. Jahrhundert sorgte dieser mit für die Verstärkung der Stadtbefestigung, in dem das Wasser auf der Ostseite der Stadtmauer aufgestaut werden konnte und so eine Erstürmung der Stadt von dieser Seite unmöglich machte. Der Wassergraben zog sich östlich vom Kempter Tor die gesamte ehemalige Stadtmauer entlang bis zum Ulmer Tor im Norden.

Ein tragisches Kapitel spielte sich im August 1610 ab, als bei der Holzmühle eine Leiche im Zeller Bach treibend gefunden wurde. Besorgt einen Kriminalfall zu haben, wurde von Memmingen der Spitalschreiber vom Bürgermeister der Stadt und dem Pfleger des Unterhospitals nach Woringen zur Aufklärung geschickt. Anzeichen für ein Fremdverschulden konnten nicht gefunden werden. Schnell klärte sich auch die Identität der Toten. Es war eine alte Bettlerin aus Zell, welche wohl beim Versuch sich abzukühlen im Bach ertrunken ist. Nach Klärung des Vorfalls fand sie ihre letzte Ruhe auf dem Friedhof in Woringen.

Das Wasser des Zeller Baches setzt seinen Weg nach Memmingen in dessen Stadtbach fort, bevor dieser wiederum zwischen Pleß und Kellmünz in die Iller fließt. Von dort geht es weiter in Ulm in die Donau, um schließlich im Schwarzen Meer zu münden.