Actrice française, Agnès Sourdillon s’est formée à l’Ecole du Théâtre national de Chaillot et elle a participé à de très nombreuses productions théâtrales depuis la fin des années 80, jouant notamment des pièces de Tchekhov, Shakespeare, Molière, Racine et des auteurs plus contemporains. Au cinéma, elle a moins été sollicitée, mais on a pu la voir dans Soigne ta droite (Jean-Luc Godard, 1987), La bande des quatre (Jacques Rivette, 1989).
Malgré ces débuts encourageants, la comédienne a toujours privilégié ses contributions sur les planches. On la retrouve de temps à autre au grand écran dans des rôles secondaires. Parmi ses œuvres majeures, on peut citer Les âmes grises (Yves Angelo, 2010), La jeune fille et les loups (Gilles Legrand, 2008), ainsi qu’un nombre conséquent de séries télé et de téléfilms.
Plus récemment, on l’a revue dans la série Cassandre, le film Anti-squat (Nicolas Silhol, 2023) et surtout dans le thriller routier 37 : l’ombre et la proie (Arthur Môlard, 2024) dont elle tient le troisième rôle principal. Elle s’y révèle très convaincante en camionneuse.