Родилась 17 февраля в Москве в семье ветеринарного врача. Получила хорошее домашнее воспитание, которым руководил отец. Училась в гимназии, где и начала писать стихи. Одновременно занималась в хореографическом училище, куда на выпускные зачеты приехал А. Луначарский и, прослушав стихи Барто, посоветовал ей продолжать писать.

В 1925 были опубликованы книжки стихов для детей - "Китайчонок Ван Ли", Мишка-воришка". Беседа с Маяковским о том, как нужна детям принципиально новая поэзия, какую роль она может сыграть в воспитании будущего гражданина, окончательно определила выбор тематики поэзии Барто. Она регулярно выпускала сборники стихов: "Братишки" (1928), "Мальчик наоборот"(1934), "Игрушки", (1936), "Снегирь" (1939).

В 1937 Барто была делегатом Международного конгресса в защиту культуры, который проходил в Испании. Там она воочию увидела, что такое фашизм (заседания конгресса шли в осажденном пылающем Мадриде). Во время Отечественной войны Барто часто выступала по радио в Москве и Свердловске, писала военные стихи, статьи, очерки. В 1942 была корреспондентом "Комсомольской правды" на Западном фронте.

В послевоенные годы бывала в Болгарии, Исландии, Японии, Англии и других странах.

В 1940-50 выходят новые сборники: "Первоклассница", "Звенигород", "Веселые стихи", "Стихи детям". В эти же годы работает над сценариями детских кинофильмов "Подкидыш", "Слон и веревочка", "Алеша Птицын вырабатывает характер".

В 1958 написала большой цикл сатирических стихов для детей "Лешенька, Лешенька", "Дедушкина внучка" и др.

В 1969 вышла книга прозы "Найти человека", в 1976 - книга "Записки детского поэта".

Первым мужем Агнии Львовны был поэт Павел Барто. Совместно с ним она написала три стихотворения — «Девочка-рёвушка», «Девочка чумазая» и «Считалочка». В 1927 году у них родился сын Гарик. Вскоре после его рождения супруги развелись. Весной 1945 года Гарик трагически погиб в возрасте 18 лет. Вторым мужем Агнии Львовны был крупный советский теплоэнергетик член-корреспондент АН СССР Андрей Щегляев, вместе с которым они прожили почти 50 лет. От этого брака у них родилась дочь Татьяна Щегляева.

Умерла А. Барто в 1981 в Москве.