Görög apától és francia anyától született a Brüsszelhez tartozó Ixelles-ben. Eredeti neve Arlette volt, ám amikor tizennyolc éves lett, keresztnevét hivatalosan is Agnesre változtatta. Irodalmat és pszichológiát hallgatott a Sorbonne-on, muzeológusnak készülve művészettörténetet tanult az École du Louvre-ban. Közben elvégzett egy esti fotóiskolát is, és 1951-től egy évtizeden át a legendás színész-rendező, Jean Vilar vezette párizsi Népszínházban dolgozott színházi fotográfusként. 1954-ben Alain Resnais biztatására készítette első dokumentum-játékfilmjét, a Párbeszédet. A film gyermekkorának kedvelt helyszínén, a dél-franciaországi Sete közelében lévő kis halászfaluban játszódott.
A világhírt az 1961-ben készült Cléo 5-től 7-ig című alkotása hozta meg számára, amely a rákszűrés eredményére várakozó fiatal énekesnő délutánjának aprólékos ábrázolásával vetett fel létkérdéseket. Legtöbb munkájában a női szerepekkel, a nő társadalmi helyzetével, sorskérdéseivel, a köznapi emberi léttel és a mögötte kibontakozó örök drámákkal foglalkozott. Arra törekedett, hogy filmjeivel tárgyilagosan mutassa be a körülötte zajló életet, és ebből a szempontból pályájának fontos állomásai rövidfilmjei is (Opera Mouffe, A part mentén, Távol Vietnamtól, A nő válaszol). 1965-ben készítette el első színes és teljes mértékben fikciós játékfilmjét, a Boldogságot, majd egy év múlva szürrealista filmet rendezett Teremtmények címmel.
A hatvanas évek végén férjével, a szintén rendező Jacques Demyvel Amerikába látogatott, és dokumentumfilmet készített a radikális polgárjogi szervezet, a Fekete Párducok egyik vezetőjéről. A hetvenes években nagy sikert aratott a feminista filmjei sorába illeszkedő Az egyik énekel, a másik nem, amelyben két barátnő párhuzamos sorsát követte. 1977-ben férjével létrehozták a Ciné Tamarist, amely nagyobb szabadságot biztosított művészi elképzeléseik megvalósítására. 1985-ös Sem fedél, sem törvény című filmje, amelyben a társadalmon kívül élő csavargólány, Mona életét és halálának körülményeit mutatta be, a Velencei Filmfesztiválon fődíjat kapott. 1995-ben a mozi századik születésnapjára készítette a sztárok egész sorát felvonultató 101 éjszakát. 2000-ben aratott sikert a Kukázók című dokumentumfilmje, amelynek 2002-ben elkészítette a folytatását is. 2008-ban mutatták be a Les plages d'Agnes (Agnes strandjai) című életrajzi dokumentumfilmjét, amelyért 2009-ben a legjobb dokumentumfilmnek járó César-díjat vehette át.
Varda élete végéig dolgozott, 2018-ban került a mozikba az Arcélek, útszélek című dokumentumfilmje, amelyet a nála fél évszázaddal fiatalabb fotós és utcai művész társaságában készített és amelyet tavaly a legjobb dokumentumfilm kategóriában Oscarra is jelöltek, Cannes-ban pedig megkapta a kategória fődíját. A road movie-ban alkotótársával Franciaország eldugott falvaiba látogattak, elbeszélgettek a helyiekkel és portrékat készítettek róluk.
A rákban szenvedő rendezőnő, akinek pályafutását két éve az amerikai filmakadémia is életmű-Oscarral jutalmazta, egy nappal 91. születésnapja előtt, otthonában, családja körében hunyt el. Halálhírét a francia médiahírek után Varda Cine Tamaris produkciós cége erősítette meg.
"Zavarodottság, lesújtottság, gyász, ezek az érzések kísérik azt a tudatot, hogy korunk egyik legjelentősebb művészét veszítettük el. Agnes Varda, tiszteletemet, elismerésemet és csodálatomat fejezem ki ön előtt" - írta a Twitteren Franck Riester francia kulturális miniszter.
Claude Lelouch, Oscar-díjas francia filmrendező szerint "a mozi egyik nagyon nagy asszonya, egyszerűen egy nagyon nagy asszony" ment el. "Kilencven éven át végigkísérte a mozi történetét. Mindenki előtt járt sokkal, elsőnként készített olyan filmeket, amelyeket hatással voltak az Új Hullámra".
"Varda elment, de Agnes örökre velünk marad. Okos, élettel teli, gyengéd, spirituális, nevető, váratlan, pont olyan volt, mint az életműve. Filléres filmjei a kincseink. Nemzeti kincstár, a francia szellem kincstára" - írta a Twitteren Gilles Jacob, a cannes-i filmfesztivál elnöke.
Frédérique Bredin, a francia nemzeti filmközpont, a CNC elnöke szerint a "nagyvonalú, vidám, mélységesen emberi Agnes Varda az őrülten eredeti filmjeivel ragyogóbbá tette az életünket". A filmes szakember megítélése szerint "felbecsülhetetlen értékű mindaz, amit a filmjein és személyes küzdelmein keresztül a nők helyzetéért tett".
Varda gazdag életművében olyan filmek szerepeltek, mint a Cléo 5-től 7-ig, a Sem fedél, sem törvény, amelyért 1985-ben Arany Oroszlán-díjat nyert Velencében, A nantes-i Jacquot című 1991-es dokumentumfilm, amelyben férjének állított emléket és a tavaly Oscar-díjra jelölt Arcélek, útszélek című dokumentumfilm.
"Tudom, hogy úttörő voltam" - nyilatkozta 2017-ben a The Hollywood Repotrernek. "Radikális filmet készítettem 1955-ben a Párbeszéddel, és amit újhullámnak kezdtek nevezni, azokban az években, 1959-1960-ban kezdődött. Mikor az első filmem készült, még kívülálló voltam, senkit sem ismertem a filmvilágból és nem is néztem filmet. Csak úgy a semmiből kitaláltam a filmet, sikerült rá szereznem egy kis pénz, de ez volt az, amit csinálni akartam" - mesélte indulásáról. Varda alkotta meg a "cinecriture" (filmírás) kifejezést, amellyel saját filmnyelvét határozta meg. Számára a filmezés alapvető szerepei nem váltak el egymástól: "A kompozíció, a mozdulatok, a nézőpont, a felvétel ritmusa és a vágás is úgy született, úgy lett kitalálva, mint ahogy egy író szavai születnek".