Fille d'un pasteur presbytérien d'origine irlandaise, Agnes Moorehead s'intéresse très tôt au théâtre. Après avoir obtenu un diplôme de littérature, elle fait ses premières apparitions à Broadway, tout en suivant des cours à l'American Academy of Dramatic Arts à New York. Elle débute également une carrière prolifique à la radio et participe à la création du Mercury Theater d'
Orson Welles. Elle le suivra d'ailleurs au cinéma, puisqu'elle interprètera le rôle de la mère de Kane dans le fameux
Citizen Kane et celui de Fanny Minafer dans La Splendeur des Amberson, ce dernier rôle lui valant la première de ses nominations aux Oscars.
En 1964, après une dernière nomination aux Oscars pour son rôle dans Chut... Chut, chère Charlotte de
Robert Aldrich, elle entame la première saison de la série télévisée Ma sorcière bien-aimée (Bewitched). Par la suite, elle tournera principalement pour la télévision.