Родилась 4 (17) февраля 1906 года в Москве в еврейской семье ветеринара Льва Николаевича Волова. По некоторым сведениям, при рождении носила имя Гетель Лейбовна (Львовна) Волова[1]. Училась в балетной школе. 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 Эдгар (Гарик). Вскоре после его рождения супруги развелись. Весной 1945 года Гарик трагически погиб в возрасте 18 лет. Катаясь на велосипеде, он был сбит грузовиком. Вторым мужем Агнии Львовны был 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.

Первые опубликованные стихотворения «Китайчонок Ван Ли» и «Мишка-воришка» (1925). Сборники «Стихи детям» (1949), «За цветами в зимний лес» (1970).

Прозаическая книга «Найти человека» (1968) о поисках семей детей, потерявшихся во время Великой Отечественной войны, показывает любовь к детям и понимание детской психологии.

Книга «Записки детского поэта» (1976).

Автор сценариев кинофильмов «Подкидыш» (совместно с Риной Зелёной, 1939), «Слон и верёвочка» (1945), «Алёша Птицын вырабатывает характер» (1958), 10000 мальчиков (1961).

А. Л. Барто скончалась 1 апреля 1981 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 3).