Родилась в семье врача-ветеринара.

Училась в балетном училище. В годы учебы, испытывая творческое влияние А. А. Ахматовой и В. В. Маяковского, начала писать стихотворные эпиграммы и зарисовки. По совету А. В. Луначарского занялась профессиональной литературной работой.

В 1925 году были опубликованы ее первые стихотворения "Китайчонок Ван Ли" и "Мишка-воришка". За ними последовали "Первое мая" (1926), "Братишки" (1928), после публикации которых К. И. Чуковский отметил незаурядный талант Барто как детского поэта. Некоторые стихотворения были написаны совместно с мужем, поэтом П. Н. Барто ("Девочка чумазая" и "Девочка-ревушка", 1930).

После выхода в свет цикла поэтических миниатюр для самых маленьких "Игрушки" (1936), а также стихов "Фонарик", "Машенька" и др. Барто стала одним из самых известных и любимых читателями детских поэтов, ее произведения издавались огромными тиражами, входили в хрестоматии. Ритм, рифмы, образы и сюжеты этих стихов оказались близки и понятны миллионам детей.

Агния Барто написала сценарии кинофильмов "Подкидыш" (1940, совм. с актрисой Риной Зеленой), "Алеша Птицын вырабатывает характер" (1953), "10 000 мальчиков" (1962, совм. с И. Окадой). Ее стихотворение "Веревочка" было взято режиссером И. Фрэзом за основу замысла фильма "Слон и веревочка" (1945).

В годы Великой Отечественной войны Барто находилась в эвакуации в Свердловске, выезжала на фронт с чтением своих стихов, выступала на радио, писала для газет. Ее стихи военных лет (сборник "Подростки", 1943, поэма "Никита", 1945 и др.) носят в основном публицистический характер. За сборник "Стихи детям" (1949) Барто была присуждена Государственная премия (1950).

О воспитанниках детского дома рассказывается в поэме Барто "Звенигород" (1948). В течение девяти лет Барто вела на радио передачу "Найти человека", в которой занималась поисками людей, разлученных войной. С ее помощью было воссоединено около 1000 семей. Об этой работе Барто написала повесть "Найти человека" (опубликована в 1968 году).

В "Записках детского поэта" (1976) поэтесса сформулировала свое поэтическое и человеческое кредо: «Детям нужна вся гамма чувств, рождающих человечность». Многочисленные поездки по разным странам привели ее к мысли о богатстве внутреннего мира ребенка любой национальности. Подтверждением этой мысли стал поэтический сборник "Переводы с детского" (1977), в котором Барто перевела с разных языков детские стихи.

В течение многих лет Барто возглавляла Ассоциацию деятелей литературы и искусства для детей, была членом международного Андерсеновского жюри. В 1976 году ей была присуждена Международная премия имени Х. К. Андерсена. Стихи Барто переведены на многие языки мира.