Agnès Jaoui est la fille de Hubert Jaoui, auteur et formateur spécialisé dans la créativité, et de Gyza Jaoui, une spécialiste de l'analyse transactionnelle.
Elle entre au Cours Florent à 15 ans. Elle fait ensuite hypokhâgne au lycée Henri-IV à Paris avant d'intégrer le Conservatoire à l'âge de 17 ans. Elle suit dès 1984 les cours d'art dramatique du Théâtre des Amandiers de Nanterre dirigé par Patrice Chéreau. Ce dernier lui donne un rôle dans Hôtel de France en 1987. Elle joue la même année dans la pièce L'Anniversaire de
Harold Pinter auprès de son futur collègue et compagnon
Jean-Pierre Bacri.
Ensemble, ils écrivent la pièce Cuisine et dépendances qui fait l'objet d'une adaptation cinématographique en 1992 par
Philippe Muyl. En 1993,
Alain Resnais fait appel à eux pour adapter au cinéma la série des huit pièces d'Alan Ayckbourn, Intimate Exchanges, concentrée en deux films sous le titre
Smoking / No Smoking. Ce diptyque ironique, ludique et théorique qui étudie les rapports entre hasard, libre-arbitre et destin leur vaut le César du meilleur scénario en 1994. Le grand public ne découvre véritablement ce duo d'acteurs-scénaristes qu'en 1996 avec le succès du film de
Cédric Klapisch, adapté de leur pièce
Un air de famille, qui révèle leur talent d'observateurs du quotidien, leur critique des carcans sociaux puis leur humour corrosif et désenchanté. Ce style juste et percutant leur permet de remporter un second César en 1997. La même année, ils collaborent à nouveau avec Resnais sur On connaît la chanson dont ils sont désormais auteurs et interprètes. Grâce au film, chacun d'eux gagnera son troisième trophée pour le meilleur scénario aux Césars 1998 ainsi que sa toute première statuette en tant que meilleur second rôle.
Après avoir joué seule dans Le Cousin (1997) d'
Alain Corneau puis Une femme d'extérieur (1999) de
Christophe Blanc, Jaoui retrouve Bacri pour écrire et interpréter son premier long métrage en tant que réalisatrice Le Goût des autres (2000) qui explore, avec humour et émotion, l'opposition d'identités socio-culturelles dans un petit groupe de personnages. Le film rassemble près de 2 millions de spectateurs en salles et remporte 4 Césars en 2001 dont celui du meilleur film, ainsi qu'une nomination pour l'Oscar du meilleur film en langue étrangère. Jaoui change complètement de registre deux ans plus tard, endossant le rôle principal d'un film à costumes adapté du roman de Stefan Zweig 24 heures de la vie d'une femme de Laurent Bouhnik. Elle campe ensuite une vedette de cinéma égocentrique aux côtés de
Karin Viard dans Le Rôle de sa vie de François Favrat en 2004. Elle présente la même année son deuxième film en compétition à Cannes
Comme une image, toujours interprété et co-écrit avec Bacri. Le duo obtient le Prix du scénario.
Après avoir été dirigée par
Richard Dembo dans son ultime réalisation,
La Maison de Nina (2005), elle se consacre à la chanson et sort un album inspiré de rythmes et de sonorités latines Canta (2006). En 2008, elle revient au cinéma avec
Parlez-moi de la pluie, toujours sous la casquette de réalisatrice-interprète et co-scénariste, offrant à
Jamel Debbouze un rôle à contre-emploi.