Родилась 17 февраля 1906 г. в Москве. По другим данным, родилась в 1901 г. в г. Ковно (Российская империя; ныне Каунас, Литовская Республика). Ее отец, Лев Николаевич Волов (1875-1924), был ветеринарным врачом. Мать, Мария Ильинична Блох (1881-1959), вела домашнее хозяйство. В подростковом возрасте Агния начала писать стихи.

В 1924 г. окончила в Москве хореографическое училище. По ее воспоминаниям, совет профессионально заняться поэзией она тогда же получила от наркома просвещения РСФСР Анатолия Луначарского, услышавшего ее чтение собственного стихотворения.

В 1925 г. начинающая поэтесса опубликовала два первых стихотворения - "Китайчонок Ван Ли" и "Мишка-воришка".
В 1926 г. вышла замуж за поэта Павла Барто и взяла его фамилию. В дальнейшем в соавторстве с супругом написала стихотворения "Девочка-ревушка", "Девочка чумазая" и "Считалочка".
На протяжении 1930-х гг. Агния Барто выпустила сборники "Октябрятская звездочка" (1932), "Звездочки в лесу" (1933) и "Игрушки" (1936), опубликовала десятки отдельных стихотворений.
Вскоре после начала Великой Отечественной войны, осенью 1941 г. второй муж поэтессы, теплотехник Андрей Щегляев, был направлен на работу на Урал. Агния Барто, проживая в эвакуации в Свердловске (ныне Екатеринбург), продолжала творческую деятельность. Также освоила в ремесленном училище специальность токаря. В 1942 г. в качестве корреспондента газеты "Комсомольская правда" совершила поездку на Западный фронт, выступала перед бойцами. В 1944 г. вместе с семьей вернулась в Москву. В том же году вышел ее поэтический сборник "Идет ученик".
В 1948 г. Агния Барто издала поэму "Звенигород", посвященную заботе советского общества о детях, осиротевших в военные годы. Через год вышел ее сборник "Стихи детям", получивший большую популярность.
С конца 1950-х гг. поэтесса возглавляла Ассоциацию деятелей литературы и искусства для детей при Союзе советских обществ дружбы и культурной связи с зарубежными странами.
В 1964-1973 гг. Агния Барто вела на радиостанции "Маяк" ежемесячную программу "Найти человека" о поисках родственников, потерявшихся во время Великой Отечественной войны (благодаря этой передаче воссоединились более 920 семей). В 1969 г. она издала одноименную публицистическую книгу.
В 1976 г. выпустила книгу "Записки детского поэта", в 1977 г. - сборник "Переводы с детского", представлявший собой переложение стихов, написанных детьми из разных стран.
Агния Барто является одной из наиболее значимых советских детских поэтесс. Ее произведения отличают афористичность, сочетание лиризма и юмора. Среди наиболее известных стихотворений Агнии Барто: "В школу" ("Почему сегодня Петя просыпался десять раз?"), "Бычок" ("Идет бычок, качается..."), "Лошадка" ("Я люблю свою лошадку..."), "Мишка" ("Уронили мишку на пол..."), "Мячик" ("Наша Таня громко плачет..."), "Зайка" ("Зайку бросила хозяйка...").
Произведения поэтессы переведены на несколько десятков иностранных языков.
По ее сценариям сняты художественные фильмы "Подкидыш" (1939, режиссер Татьяна Лукашевич), "Слон и веревочка" (1945, Илья Фрэз), "Алеша Птицын вырабатывает характер" (1953, Анатолий Граник) и др. В 1974 г. сюжет "Позорное пятно" по ее стихотворению вошел в первый выпуск детского киножурнала "Ералаш".
Агния Барто скончалась 1 апреля 1981 г. в Москве. Похоронена на столичном Новодевичьем кладбище.

Была награждена орденами "Знак Почета" (1939), Трудового Красного Знамени (1956, 1966), Ленина (1976), Октябрьской Революции.
Лауреат Сталинской премии II степени (1950) и Ленинской премии (1972).

Была дважды замужем. Первый супруг - поэт Павел Барто (1904-1986). Их сын Эдгар (по паспорту Игорь) в 1945 г. был сбит насмерть автомобилем в возрасте 18 лет. Вторым мужем поэтессы был доктор технических наук, член-корреспондент Академии наук СССР Андрей Щегляев (1902-1970). В 1933 г. в семье родилась дочь Татьяна (инженер, кандидат технических наук).