En la seva infantesa visqué en diverses barriades obreres de Barcelona i a Sabadell. Feu els primers estudis a l’Escola Montessori del Guinardó. El 1934 guanyà un concurs de contes socials i el 1936 esdevingué col·laborador regular a la revista Meridià; col·laborà també a la revista Amic. Publicà el llibre de contes L’oasi perdut (1937) i l’any següent el seu primer llibre de poesia, Cant corporal.
El febrer del 1938 marxà al front republicà d’Aragó. Després de la derrota de la República, Bartra passà a França, on fou internat als camps de concentració d’Argelers (Rosselló) i Agde (Llenguadoc). L’agost del 1939, l’autoritzaren a traslladar-se al castell de Roissy, on trobà, entre d’altres, els escriptors catalans Joan Oliver, Mercè Rodoreda i Pere Calders; allà conegué Anna Murià, que esdevindria la seva companya i de la qual tingué dos fills, Roger i Eli. Pel gener del 1940, els Bartra se n’anaren a la República Dominicana, on visqueren durant un any. Hi traduí al castellà uns poemes seus i en feu el llibre L’arbre de foc (1940). El 1941 es traslladaren a Cuba, on visqueren prop de sis mesos i començà a escriure la novel·la Xabola, que guanyà, el 1942, el premi Fastenrath a l’exili. Al mes d’agost, els Bartra s’embarquen cap a Mèxic, on retrobaren Pere Calders, i Bartra treballà amb ell a l’Estudio Llama, dedicat al dibuix comercial.
El 1942 Bartra publicà Oda a Catalunya, des dels tròpics, amb traduccions a l’anglès i al castellà; també publicà el mateix any L’estel sobre el mur, un recull de narracions. Més endavant aparegueren Màrsias i Adila (1948) i Rèquiem (1948). Màrsias i Adila representa una de les epopeies catalanes modernes més importants: en resposta a la història individual i col·lectiva, basteix una actitud moral que assoleix dimensions universals i que, més tard, prossegueix en Quetzalcòatl, publicada primer en versió castellana (1960) i després catalana (1977). L’obra del gran mite mexicà, Quetzalcòatl, començada en català i després directament en castellà, en què reflecteix el que significà la cultura mexicana en la seva obra, incorporant-ne elements d’una manera fluïda i enriquidora, li valgué un ampli reconeixement pels joves escriptors mexicans.
Fou un dels fundadors de la revista Lletres (1944-48), de la qual aparegueren deu números. El mateix 1948 li fou concedida una beca de la Fundació Guggenheim per a anar als Estats Units, on la família Bartra s’instal·là successivament a Nova York, Newton (Nova Jersey) i Bayville (Long Island) fins el novembre del 1950, que tornà a Mèxic. Durant l’estada als Estats Units, Bartra traduí poesia nord-americana al català, i publicà Odisseu (1953), Oda Atlàntica (1951) i Una antologia de la lírica nord-americana (1951).
El 1954 publicà a Barcelona una antologia poètica (per primera vegada des de la guerra), i el 1955, hi edità la versió castellana d’Odisseu. El 1956 es publicà la versió francesa, a París, de Màrsias i Adila; el 1957 s’estrenà a Mèxic la versió castellana de l’obra teatral Cora i la magrana, i el 1958 es publicà la traducció de Xabola, amb el títol de Crist de 200.000 braços, amb un notable èxit de crítica. Feu altres estades als Estats Units (1961 i 1963).
Continuà publicant a Mèxic: Deméter (1961); Ecce homo (1964, apareguda en català el 1968), en la qual l’aventura personal és matèria elegíaca, i, a través d’ella, explica l’home que lluita contra allò que pot negar-lo, amb recursos formals poc freqüents en la literatura catalana; La Luz en el yunque (1965); El teatro de cristal (1966) i la novel·la La luna muere con agua (1968, versió catalana publicada el 1969). També es publicà el singular llibre d’Anna Murià Crònica de la vida d’Agustí Bartra (1967).
El 1971 hom publicà un primer volum de l’Obra poètica completa, i pòstumament n’aparegueren tres més, amb dates del 1983, dins del qual per primer cop el darrer recull, El gall canta per tots dos, del 1986 i el 1987. Hom ha publicat també dos volums de narrativa (1986 i 1987), el segon del qual inclou també l’obra teatral.
Rebé el premi Ciutat de Terrassa (1969) per l’obra Doso; aquest fet accelerà la decisió de tornar a Catalunya. Ja instal·lat a Barcelona el 1970, desplegà una gran activitat amb l’edició de les seves obres anteriors i l’escriptura de nous llibres: Poemes de retorn (1971), Rapsòdia de Garí (1972), Els himnes (1973, premi Carles Riba 1972), Rapsòdia d’Arnau (1974), Rapsòdia d’Ahab (1976), L’home auroral (1977), El gos geomètric (1979), Sobre poesia (1981), Haikús d’Arinsal (1982), etc. En teatre destacà, entre d’altres, La noia del gira-sol (1982, premi Santiago Rusiñol 1981). Durant aquest temps feu diversos viatges: a Anglaterra (1970), a Mèxic (1974, 1976, 1979), als Estats Units (1976-80), i a Holanda (1978), on fou invitat com a poeta estel·lar en homenatge a la literatura catalana. Pòstumament es publicà una edició de la seva obra completa en quatre volums (1985-87) i, a Mèxic, l’aplec de treballs crítics ¿Para qué sirve la poesia? (1999).