Née en 1941 à Paris, issue d’une famille d’artistes, elle poursuit des études de musique au Conservatoire national supérieur de musique et de danse en même temps qu’elle obtient une licence de lettres à la Sorbonne.

Devenue mère, elle se lance dans la création de livres pour les enfants et collabore avec de nombreuses maisons d’édition, des plus réputées aux plus petites et émergentes. Elle se dit elle-même fascinée par l’antiquité égyptienne[réf. souhaitée], ce qui la conduit à dessiner ses personnages toujours de profil, à utiliser des aplats de couleurs franches, à imbriquer écriture et dessin. Elle témoigne d’un intérêt soutenu pour la langue française, sujet qu’elle explore dans de nombreux ouvrages, comme ses Alphabets, ou le Livre de la langue française (illustré par Pierre Gay).

Sa production n’a pas cessé depuis 1968. En 1995, Agnès Rosenstiehl reçoit le Grand Prix de la Société des gens de lettres pour l’ensemble de son œuvre. Ses archives sont confiées à l’Institut mémoires de l’édition contemporaine (IMEC).

Agnès Rosenstiehl est traduite en plusieurs langues (anglais, japonais, castillan, catalan, serbe, néerlandais, finnois et allemand).

Elle est mariée au mathématicien Pierre Rosenstiehl.