Agnès Jaoui suit dès son plus jeune âge des cours de théâtre (Cours Florent) et des cours de musique (conservatoire d’Enghein) et, 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 Cuisine et dépendances (4 Molières) qui obtient un succès tel, qu’elle sera adaptée au cinéma par Philippe Muyl. Le grand public les découvre vraiment en 1996 avec l’adaptation par Cédric Klapisch de leur deuxième pièce, Un air de famille (2 Molières). 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. Agnès Jaoui se partage désormais entre son métier d’actrice – 24 heures de la vie d’une femme (Laurent Bounik), Le Rôle de sa vie (François Favrat), La Maison de Nina (Richard Dembo), Du vent dans mes mollets (Carine Tardieu), Comme un avion (Bruno Podalydès), Aurore (Blandine Lenoir), La vie de ma mère (Julien Carpentier), Ma vie ma gueule (Sophie Fillières), À l’ombre des filles (Etienne Comar), Le dernier des Juifs (Noé Debré) … – et de réalisatrice scénariste – Comme une image, Parlez-moi de la pluie, Au bout du conte, et plus récemment Place publique. Elle a également réalisé six épisodes de la saison 2 de En Thérapie pour Arte.

Durant toutes ces années, Agnès Jaoui ne cesse pas ses activités musicales (avec son ensemble vocal Canto Allègre, ou son groupe latino Le Quintet Official). Mais ce n’est que vers les années 2000 que le public la découvrira véritablement comme chanteuse, avec la sortie d’un album aux sonorités latines Canta (Victoire de la musique dans la catégorie musique du monde), suivi de trois autres Dans mon pays, Nostalgias, et tout récemment, Attendre que le soleil revienne, et d’un disque Rio Paris, avec Helena Noguerra et Natalie Dessay. Avec un César de la meilleure actrice dans un second rôle pour le film On connaît la chanson, quatre César du meilleur scénario original ou adaptation et un César du meilleur film avec Le Goût des autres, et un César d’honneur en 2024, Agnès Jaoui est la femme la plus récompensée aux César. En 2024, elle met en scène L’Uomo Femina de Galuppi, sa deuxième mise en scène d’opéra après Tosca de Puccini en 2019.