Natural de Paris, Agathe Bonitzer nasceu no centro de um universo cinematográfico, filha de Pascal Bonitzer, argumentista e realizador, e de Sophie Fillières, realizadora. Ainda em criança, participou como actriz em vários filmes, como por exemplo Trois vies et une seule mort (1996), de Raoul Ruiz, entre outros. Aos dezasseis anos, inscreve-se no curso de Artes Dramáticas no Conservatório Erik Satie. Paralelamente aos seus estudos em Literatura Moderna, Agathe Bonitzer multiplicou os seus papéis ao lado do seu pai, especialmente em Je pense à vous e Le Grand Alibi. Através da sua família, teve a oportunidade de trabalhar com grandes nomes do cinema francês como Pierre Arditi, Lambert Wilson e Valeria Bruni Tedeschi. O seu profissionalismo e a sua frescura acabaram por seduzir vários realizadores, chegando a trabalhar com Christophe Honoré no filme La Belle Personne, onde contracena com Louis Garrel. Sempre próxima da sua família, Agathe Bonitzer participou ainda num filme realizado pela sua mãe, Un Chat un Chat, ao lado de Chiara Mastroianni. A actriz encarna papéis onde se deixa transparecer como uma jovem mulher assombrada, doce e misteriosa. Persegue esta direcção em filmes como Bus Palladium, que lhe permitiu alcançar um público mais abrangente, À moi seule e Une Bouteille à la mer. Volta a colaborar com Pascal Bonitzer em Cherchez Hortense e, mais recentemente, em Tout De Suite Maintenant (2016), integrando uma parte de um quadro ambicioso da alta finança, onde a actriz considera que, pela primeira vez, encarna um papel com uma maior maturidade profissional e social.