Élève brillante et très tôt attirée par une carrière artistique, Agnès Jaoui intègre le cours Florent à 15 ans, puis suit des cours de chant au Conservatoire et d’art dramatique du Théâtre des Amandiers de Nanterre sous la houlette de Patrice Chéreau et Pierre Romans. En 1987, elle joue dans plusieurs pièces du duo de metteurs en scène (Penthésilée, Platonov…) et obtient un petit rôle dans le film de Patrice Chéreau, Hôtel de France. La même année, elle est également à l’affiche de la pièce L’Anniversaire et y fait une rencontre déterminante pour la suite de sa carrière, celle de Jean-Pierre Bacri. En 1991, ils écrivent à quatre mains leur première pièce ; Cuisine et dépendances, adaptée au cinéma dès l’année. Le duo poursuit son ascension avec l’écriture de scénarios Smoking/No Smoking (1993), Un air de famille (1996), On connaît la chanson (1997), et remportent deux Césars du meilleur scénario (Smoking/No Smoking et Un air de famille).
En 1998, son talent d’actrice est récompensé grâce à son rôle dans On connaît la chanson qui lui vaut le César de la meilleure actrice dans un second rôle. Agnès Jaoui diversifie ses collaborations et tourne sous la direction d’Alain Corneau (Le cousin), de Christophe Blanc (Une femme d’extérieur), ou encore de François Favrat (Le rôle de sa vie).
La comédienne passe à la réalisation avec son premier film, Le goût des autres (2000), coécrit avec Jean-Pierre Bacri. Le succès est à nouveau au rendez-vous pour le duo qui remporte le César du meilleur film et celui du meilleur scénario. En 2004, le duo réalise son deuxième film, Comme une image, qui obtient le prix du scénario au Festival de Cannes. Ils réalisent ensuite Parlez-moi de la pluie (2008), et Au bout du conte (2013)
Agnès Jaoui ajoute une corde à son arc et démarre une carrière de chanteuse. Son premier album, Canta (2006), chanté en espagnol et en portugais est récompensé d’une Victoire de la Musique dans la catégorie musique du monde. Forte de ce premier succès, elle sort deux autres albums; Dans mon pays (2009) et Nostalgias (2015).
L’artiste fait son retour au théâtre en 2014, elle est à l’affiche de la pièce Les uns et les autres, puis interprète Les femmes savantes en 2016. En 2017, elle met en scène ses célèbres pièces; Un air de famille et Cuisine et dépendances au théâtre de la Porte-Saint-Martin.
En avril 2017, elle interprète le rôle principal du film de Blandine Lenoir, Aurore. En mai 2017, Agnès Jaoui est membre du jury du 70ème Festival de Cannes présidé par Pedro Almodovar. Le 23 février 2024, elle reçoit un César d’honneur pour l’ensemble de sa carrière, débutée en 1987.