Élève douée, Agnès Jaoui fait hypokhâgne au lycée Henri IV et entre au Conservatoire à l'âge de 17 ans. Elle suit à partir de 1984 les cours au théâtre des Amandiers de Nanterre, dirigé à l'époque par Patrice Chéreau. Déjà apparue au cinéma dans Le Faucon (1983, Paul Boujenah), elle tourne son deuxième film avec toute la troupe de Patrice Chéreau et sous la direction de celui-ci dans Hôtel de France en 1987. Cette même année, en jouant sur les planches L'Anniversaire d'Harold Pinter, elle rencontre son futur compagnon et collaborateur de travail Jean-Pierre Bacri.

Ils écrivent une première pièce ensemble intitulée Cuisine et dépendances (1992, Philippe Muyl) dont le succès au théâtre, puis au cinéma, les encourage dans cette voie d'humour grinçant et désabusé. Le grand public les découvre vraiment en 1996 avec l'adaptation par Cédric Klapisch de leur deuxième pièce, Un air de famille. On parle alors du style Bacri-Jaoui et le film est récompensé par le César du Meilleur scénario. L'actrice Agnès Jaoui est également distinguée, grâce à sa nomination au César du Meilleur second rôle féminin. Après avoir signé en 1993 le script de Smoking/No smoking, le couple est à nouveau sollicité par Alain Resnais en 1997 pour écrire, mais aussi interpréter, sa comédie chorale On connaît la chanson. Tout en continuant à jouer seule dans quelques films (Le Cousin d'Alain Corneau, 1998), Agnès Jaoui est tête d'affiche pour la première fois dans Une femme d'extérieur (1999, Christophe Blanc).

L'année 2000 marque son passage avec succès à la réalisation pour Le Goût des autres, toujours écrit avec Jean-Pierre Bacri. Lauréat de 4 César, dont celui du meilleur film, le long-métrage est nommé à l'Oscar du meilleur film étranger. Deux ans après, elle aborde le film en costumes en tenant le premier rôle des 24 heures de la vie d'une femme de Laurent Bouhnik. En 2003, elle donne la réplique à Karin Viard dans Le Rôle de sa vie de François Favrat, et se met à nouveau en scène dans la comédie Comme une image présentée en compétition officielle au Festival de Cannes 2004. Elle y obtient, avec son co-scénariste Jean-Pierre Bacri, le prix du meilleur scénario.

Agnès Jaoui se partage désormais entre son métier d'actrice et de réalisatrice-scénariste. En 2004, dans le dernier film de Richard Dembo, La Maison de Nina, elle interprète le rôle titre d'une femme recueillant à la Libération les enfants déportés pendant la guerre. Elle revient un temps à ses premiers amours et entame une carrière de chanteuse avec la sortie d'un album aux sonorités latines. C'est sous la triple casquette de réalisatrice-scénariste-actrice qu'elle revient vers le cinéma en 2008 avec Parlez-moi de la pluie coécrit avec son complice de toujours Jean-Pierre Bacri. Le film marque aussi la rencontre du couple Jaoui/Bacri avec Jamel Debbouze. Quatre ans plus tard, Agnès Jaoui laisse de côté ses habituelles fonctions de réalisatrice et scénariste, en s'affichant dans la comédie enfantine Du Vent dans mes mollets.

En 2013, le tandem qu'elle forme avec Jean-Pierre Bacri (dont elle est séparée à la ville depuis 2012) revient avec un nouveau scénario, qu'elle met en scène : Au bout du conte, une comédie décalée dans laquelle le fameux duo donne la réplique à une véritable troupe d'acteurs à la mode, parmi lesquels Agathe Bonitzer, Arthur Dupont, Benjamin Biolay et Nina Meurisse. Femme libérée croisant la route de Bruno Podalydès dans l'envoûtant Comme un avion et rôle-titre de la comédie Aurore, Jaoui est en 2017 membre du Jury du Festival de Cannes, présidé par Pedro Almodóvar.

Elle livre en 2018 sa nouvelle réalisation, Place publique, dans laquelle elle donne une fois de plus la réplique à Bacri. Cette comédie douce-amère traite de la célébrité, des réseaux sociaux et de jeunisme. Elle s'illustre ensuite dans des longs-métrages à portée sociale, comme la comédie Les Bonnes intentions, où elle campe une femme surinvestie dans l'humanitaire, et le drame À l'ombre des filles, où elle est une prisonnière d'un centre de détention pour femmes qui découvre le chant lyrique. 

En 2022, elle fait une incursion du côté du petit écran pour la saison 2 d'En thérapie, dans laquelle elle joue et dont elle réalise quelques épisodes. L'année suivante, elle campe une scénariste qui retrouve son amour de jeunesse dans une école de cinéma dans Le Cours de la vie.