Училась в гимназии и одновременно в балетной школе Лидии Нелидовой. Затем поступила в хореографическое училище и после его окончания в 1924 году в балетную труппу, где работала около года.

Первым мужем Агнии Воловой в 1926 году стал поэт Павел Барто, с которым она поселилась на Воронцовом Поле. В 1927 году у них родился сын Эдгар, а через 6 лет супруги развелись.

Вторым мужем Барто был теплоэнергетик, член-корреспондент АН СССР Андрей Владимирович Щегляев.

Во время Великой Отечественной войны Агния Барто с семьёй была эвакуирована в Свердловск. Там ей пришлось освоить профессию токаря. В 1944 году они вернулись в Москву. Сын Гарик погиб 5 мая 1945 года в возрасте 18 лет — был сбит грузовиком во время катания на велосипеде в Лаврушинском переулке.

Умерла 1 апреля 1981 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище.