Agnieszka urodziła się w 1268 r. w toskańskim Gracciano Vecchio, leżącym w pobliżu Montepulciano. Pochodziła ze szlacheckiej rodziny Lorenza i Marii Segni. Legenda głosi, że jej narodziny poprzedziła niezwykła światłość. Miała być bardzo pobożnym dzieckiem; od najwcześniejszych lat pragnęła wstąpić do klasztoru, czemu rodzice byli przeciwni. Dopiero niezwykłe wydarzenie skłoniło ich do oddania 9-letniej córki do szkoły klasztornej. Tym wydarzeniem był atak kruków, które nadleciały do dziewczynki znad domu schadzek w Montepulciano. Agnieszka miała wtedy zapowiedzieć, że w tym miejscu powstanie kiedyś klasztor. Szkołę klasztorną, do której oddano Agnieszkę, prowadziły franciszkanki zwane del Sacco - od workowatych habitów. Jako czternastoletnia dziewczyna Agnieszka postanowiła zostać zakonnicą.
Za zezwoleniem Stolicy Świętej w wieku lat 15 stanęła na czele grupy zakonnic i założyła z nimi nowy klasztor w Procero (Viterbo). Wybrana wbrew własnej woli na przełożoną tego klasztoru, wsławiła go swoją mądrością, pobożnością i darami nadprzyrodzonymi. Pod kierownictwo duchowe przeoryszy, młodej wiekiem, ale dojrzałej doskonałością chrześcijańską, zaczęły zgłaszać się licznie nowe kandydatki.
Na wiadomość o tym mieszkańcy Montepulciano zaprosili ją do siebie. Powróciła więc i stała się matką nowej gałęzi dominikańskiej. Magistrat miasta z wdzięczności ofiarował siostrom w 1306 r. nowy lokal i uposażenie. Nowy klasztor Santa Maria Novella stanął w tym samym miejscu, gdzie niegdyś istniał dom schadzek. Matka Agnieszka nadała mu regułę św. Augustyna, a później przyłączyła klasztor do rodziny dominikańskiej. Pan Bóg obdarzył ksienię darem wizji, proroctw i ekstaz. Św. Katarzyna ze Sieny będzie widziała w niej dla siebie wzór do naśladowania. Kiedy w roku 1377 przybyła do jej relikwii z pielgrzymką, zawołała: "Matko nasza, Agnieszko, chwalebna!" Wielkim uczuciem miłości Agnieszka otaczała Dzieciątko Jezus oraz Dziewicę Maryję. Umocniona darami Ducha Świętego, stała się jasną lampą modlitwy i miłości, a dzięki swojemu męstwu oraz autorytetowi podtrzymywała ducha obywateli w dążeniu do jedności i pokoju.
Zmarła w rodzinnym mieście 20 kwietnia 1317 r., otoczona współsiostrami. Papież Klemens VII wyniósł ją do chwały błogosławionych w roku 1532, a papież Benedykt XIII 10 grudnia 1726 r. zaliczył ją uroczyście w poczet świętych. Jej nienaruszone ciało w 1435 r. zostało sprowadzone do kościoła dominikańskiego w Orvieto, gdzie przechowywane jest do dnia dzisiejszego. Przez ponad 300 lat pozostawało ono nienaruszone. Później umieszczono jej doczesne szczątki w woskowej figurze, pozostawiając na widoku tylko jej ręce i stopy, z których wypływał pachnący olejek.
Pierwszą i najwcześniejszą biografię św. Agnieszki (Legenda s. Agnetis) napisał po pięćdziesięciu latach od jej śmierci bł. Rajmund z Kapui, generał dominikanów, kierownik duchowy św. Katarzyny ze Sieny, a wcześniej spowiednik sióstr w Montepulciano.

Ikonografia przedstawia św. Agnieszkę najczęściej z lilią w ręku prawym, a w lewej ręce trzymającą założony przez siebie klasztor. Bywa także przedstawiana w towarzystwie św. Katarzyny ze Sieny i św. Róży z Limy - dwóch innych wielkich dominikanek.