Agnieszka Holland urodziła się 28 listopada 1948 roku w Warszawie. Jest absolwentką czeskiego FAMU, czyli Wydziału Filmowego i Telewizyjnego Akademii Sztuk Scenicznych w Pradze, który ukończyła w 1971 roku. Po powrocie do Polski pracowała jako asystentka reżysera przy filmie Krzysztofa Zanussiego „Iluminacja” (1973). Związała się z powstałym w 1972 roku Zespołem Filmowym „X”, gdzie kierownikiem artystycznym został Andrzej Wajda.

Jako reżyserka zadebiutowała telewizyjnym krótkim metrażem „Wieczór u Abdona” (1975). Jej pełnometrażowym debiutem byli "Aktorzy prowincjonalni" (1978), film uznany za jeden ze najważniejszych tytułów polskiego kina moralnego niepokoju. Obraz otrzymał wiele nagród, między innymi Międzynarodowej Federacji Krytyków FIPRESCI na Festiwalu w Cannes. W tym samym czasie Agnieszka Holland napisała scenariusz do filmu Andrzeja Wajdy „Bez znieczulenia” (1978), uhonorowanego Złotymi Lwami na Festiwalu Polskich Filmów Fabularnych, wówczas jeszcze odbywającym się w Gdańsku.

Trzy lata później reżyserka otrzymała pierwsze „własne” Złote Lwy za film "Gorączka" (1980). Obraz będący adaptacją powieści Andrzeja Struga „Dzieje jednego pocisku” polemizował z entuzjazmem ruchu solidarnościowego z sierpnia ’80. Nakręcony krótko potem dramat „Kobieta samotna” (1981), przedstawiający beznadzieję życia samotnej matki w Polsce, aż sześć lat czekał na oficjalną premierę, wstrzymywany i cenzurowany przez władzę. Na Festiwalu w Gdyni otrzymał w 1988 roku Nagrodę Specjalną Jury.
Wprowadzenie stanu wojennego w Polsce w 1981 roku zastało Agnieszkę Holland za granicą, gdzie podjęła decyzję o pozostaniu na emigracji. Żyjąc i pracując okresowo we Francji i Republice Federalnej Niemiec, współpracowała z Andrzejem Wajdą między innymi nad scenariuszami do „Dantona” (1982) i „Korczaka” (1990). Jej film "Gorzkie żniwa" (1985), w którym podjęła tematykę Holocaustu, był nominowany do Oscara dla najlepszego filmu nieanglojęzycznego. W amerykańsko-francuskiej koprodukcji zrealizowała „Zabić księdza” (1988), dramat oparty na historii morderstwa księdza Jerzego Popiełuszki.

Prawdziwe losy Solomona Perela, Żyda uciekającego przed zagładą do niemieckiej armii, stały się inspiracją do filmu "Europa, Europa" (1990). Został on nagrodzony Złotym Globem dla najlepszego filmu obcojęzycznego. Agnieszka Holland otrzymała za niego ponownie nominację do Oscara, tym razem za scenariusz adaptowany.

Pierwszym w pełni francuskim filmem Agnieszki Holland, nakręconym na podstawie własnego scenariusza, był "Olivier, Olivier" (1991) – wnikliwe studium rodziny z prowincji, w której w niewyjaśniony sposób ginie jedno z dzieci. W Stanach Zjednoczonych reżyserka zrealizowała adaptację klasycznej powieści Frances Hodgson Burnett „Tajemniczy ogród” (1993). Wśród kolejnych amerykańskich produkcji znalazły się: film „Całkowite zaćmienie” (1995) o związku poetów Artura Rimbauda i Paula Verlaine’a, "Plac Waszyngtona" (1997), adaptacja powieści Henry’ego Jamesa, a następnie „Trzeci cud” (1999) na podstawie powieści Richarda Vetere’a, w którym reżyserka podjęła temat cudów w kościele katolickim. Wśród kolejnych filmów niezwykle pracowitej polskiej filmowczyni zrealizowanych w tym okresie za granicą są „Julia wraca do domu” (2001) i „Kopia mistrza” (2006).Do tematu Holocaustu, dwie dekady po filmie "Europa, Europa", Agnieszka Holland powróciła dramatem wojennym „W ciemności” (2011). Ta filmowa adaptacja książki Krystyny Chiger „Dziewczynka w zielonym sweterku” przyniosła reżyserce drugie w karierze Złote Lwy na Festiwalu w Gdyni, a także kolejną nominację do Oscara dla najlepszego filmu nieanglojęzycznego. Premierę na Berlinale miał film Agnieszki Holland "Pokot" (2017) – określana jako eko-thriller adaptacja powieści Olgi Tokarczuk „Prowadź swój pług przez kości umarłych”. Film otrzymał Srebrnego Niedźwiedzia w Berlinie, a w Gdyni między innymi nagrodę za najlepszą reżyserię.

44. Festiwal Polskich Filmów Fabularnych w 2019 roku przyniósł Agnieszce Holland trzecią statuetkę Złotych Lwów dla najlepszego polskiego filmu. Reżyserka otrzymała ją za „Obywatela Jonesa” (2019), opowieść o walijskim dziennikarzu, który jako pierwszy opisał wielki głód na Ukrainie. Już rok później reżyserka zaprezentowała swój kolejny film, będący efektem jej pracy w Czechach, czyli „Szarlatana” (2020). Tym razem zainspirowała się biografią Jana Mikolaszka, czeskiego zielarza i uzdrowiciela.  Ostatnim filmem Holland jest "Zielona granica" (2023).

W Polsce w 2007 roku Agnieszka Holland nakręciła serial telewizyjny z nurtu political fiction „Ekipa”, we współpracy z siostrą Magdaleną Łazarkiewicz, córką Kasią Adamik oraz Borysem Lankoszem. Jej kolejną realizacją serialową zrealizowaną wspólnie z córką była koprodukcja polsko-czesko-słowacko-węgierska „Janosik. Prawdziwa historia” (2009). Spośród jej produkcji telewizyjnych warto wymienić miniserial HBO „Gorejący krzew” (2013). Opowiada ona historię Jana Polaka, czeskiego studenta, który dokonał aktu samospalenia w proteście przeciw agresji wojsk Układu Warszawskiego na Czechosłowację. W 2018 roku premierę miał pierwszy polski serial dla platformy Netflix, „1983”. Agnieszka Holland pracowała przy nim z Kasią Adamik, Olgą Chajdas i Agnieszką Smoczyńską. Agnieszka Holland reżyserowała także wybrane odcinki amerykańskich seriali: „Prawo ulicy”, „The Killing”, „House of Cards”.

Agnieszka Holland zajmowała się także reżyserią teatralną oraz tłumaczeniami z języka czeskiego. Przełożyła „Nieznośną lekkość bytu” Milana Kundery (polskie wydanie w 1985 roku). Artystka została odznaczona między innymi Krzyżem Oficerskim Orderu Odrodzenia Polski „za wybitne zasługi dla kultury polskiej, za osiągnięcia w pracy twórczej” (2001) oraz Złotym Medalem „Gloria Artis – Zasłużony Kulturze” (2008). Za „zasługi w szerzeniu dobrego imienia państwa czeskiego” otrzymała również Nagrodę „Gratias Agit”, przyznawaną przez Ministerstwo Spraw Zagranicznych Czech. Jest doktorem Honoris Causa Uniwersytetu Brandeis w Waltham (Massachusetts) oraz FAMU w Pradze.

W grudniu 2020 roku Agnieszka Holland została prezydentką Europejskiej Akademii Filmowej (EFA), przejmując tę funkcję od niemieckiego reżysera, scenarzysty i producenta, Wima Wendersa. Wcześniej od 2014 roku stała na czele Rady EFA. Reżyserka udziela się publicznie, będąc uważną obserwatorką współczesności i zaangażowaną komentatorką życia społeczno-politycznego.