Sachverhalt: A. X._ (geb. 1966) ist Staatsangehörige von Bosnien-Herzegowina und heiratete am 4. Januar 2001 in ihrer Heimat den in der Schweiz aufenthaltsberechtigten Landsmann Y._. Sie reiste am 6. April 2001 in die Schweiz ein, worauf ihr das Migrationsamt des Kantons Zürich eine Aufenthaltsbewilligung zwecks Verbleib beim Ehemann erteilte. Nachdem die eheliche Gemeinschaft im Januar 2004 aufgegeben worden war, wies das Migrationsamt mit Verfügung vom 27. Juli 2004 das Gesuch von X._ um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung ab und verweigerte ihr den weiteren Aufenthalt. Nach Rückzug des dagegen erhobenen Rekurses an den Regierungsrat wurde die Ausreisefrist neu auf den 30. Juni 2005 festgesetzt. Am 16. März 2005 wurde die Ehe mit Y._ geschieden und am 27. Mai 2005 heiratete X._ den Schweizer Staatsangehörigen Z._ (geb. 1956). Das darauf folgende erneute Gesuch um Erteilung einer Aufenthaltsbewilligung wurde zunächst abgewiesen (Verfügung vom 10. Oktober 2005), nachdem die Überprüfung der ehelichen Verhältnisse verschiedene Indizien zu Tage gefördert hatte, die auf eine Scheinehe hindeuteten. Auf Rekurs hin hob das Migrationsamt am 14. Juni 2006 die angefochtene Verfügung wiedererwägungsweise auf und erteilte X._ eine Aufenthaltsbewilligung als Ehegattin eines Schweizer Bürgers. Die Bewilligung wurde in der Folge jeweils um ein Jahr verlängert. B. Im Zusammenhang mit einem Gesuch um erleichterte Einbürgerung ergaben polizeiliche Abklärungen der persönlichen Verhältnisse von X._ wiederum verschiedene Indizien für das Vorliegen einer Scheinehe. Gestützt darauf wies das Migrationsamt am 27. August 2009 das Gesuch von X._ vom 7. Mai 2009 um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung ab und setzte ihr Frist zum Verlassen der Schweiz an. Dagegen beschwerte sich X._ ohne Erfolg beim Regierungsrat und in der Folge beim Verwaltungsgericht des Kantons Zürich. C. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 5. November 2010 beantragt X._, es sei der Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 22. September 2010 aufzuheben. Weiter sei festzustellen, dass die Beschwerdeführerin Anspruch auf eine Aufenthaltsbewilligung habe und die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich sei anzuweisen, ihr eine Aufenthaltsbewilligung zu erteilen. Das Migrationsamt und der Regierungsrat des Kantons Zürich haben sich nicht vernehmen lassen. Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich beantragt die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei. Das Bundesamt für Migration schliesst auf Abweisung der Beschwerde. Mit Verfügung vom 16. November 2010 hat der Präsident der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung des Bundesgerichts der Beschwerde antragsgemäss aufschiebende Wirkung zuerkannt. 