Filla de pare grec refugiat i mare francesa, la seva activitat en el camp de la fotografia la menà al cinema (1954). De la seva interessant filmografia, iniciada dins del corrent de la Nouvelle Vague, cal destacar La Pointe Courte (1955), Cléo de 5 à 7 (1962), Le bonheur (1965, premi especial del jurat del Festival de Berlín), Les créatures (1966), Lions Love (1969), Daguerréotypes (1975), L’une chante, l’autre pas (1976), Documenteur (1981), Sans toit ni loi (1985, Lleó d’Or del Festival de Venècia), el díptic Jane B. par Agnès V. (1987) i Kung-fu Master (1987) amb Jane Birkin, Jacquot de Nantes (1991), una evocació de la infantesa del seu marit, el també cineasta Jacques Demy, amb el qual tingué un fill, Mathieu Demy, actor, i Les cent et une nuits (1994), film d’homenatge al centenari del cinema. Destacada directora de documental amb una perspectiva tanmateix molt personal, la seva producció cinematogràfica ha tendit a enquadrar-se cada cop més en aquest gènere: Mur murs (1981), Les glaneurs et la glaneuse (2000), Les glaneurs et la glaneuse... deux ans après (2002), Cinévardaphoto (2004), Quelques veuves de Noirmoutier (2006), Les plages d’Agnès (2008, premi César 2009 en la categoria de documental), Visages, villages (2017), viatge per la França rural en companyia d’un fotògraf, que aconseguí, entre d’altres, un premi a Canes i la nominació als Oscar, i la sèrie televisiva Agnès de ci de là Varda (2011), sobre la recepció de la pròpia obra. La seva darrera obra fou també un documental autobiogràfic: Varda par Agnès (2019).
Premi Liberpress 2011 a la trajectòria en la modalitat de cinema, el 2017 guanyà el premi a la trajectòria del Festival de Sant Sebastià i el 2018 un Oscar honorífic. Feu també incursions en les arts plàstiques (instal·lació Lîle et elle a la Fundació Cartier de París, 2006).