Après une formation à l'Ecole du Théâtre National de Chaillot sous la direction d'Antoine Vitez, Agnès Sourdillon joue au théâtre entre autres sous la direction de : Stéphane Braunschweig(Woyzeck, Tambours dans la nuit et Dom Juan revient de Guerre, Ajax de Sophocle etLa Cerisaie de Tchekov) ; Christian Collin (Le Misanthrope et Sombre Printemps) ; Alain Milianti (Le Legs et l'Epreuve de Marivaux et Bingo de Edward Bond crée au Festival d'Avignon 1994); Alain Ollivier (La Révolte de Villiers l'Isle Adam) ; Anne Torrès (Le Prince) etc. Elle crée avec François Wastiaux et Yves Pagès la compagnie Valsez-Cassis où elle joue jusqu'en 1998 (Les Parapazzi crée au Festival d'Avignon 1998). Depuis 1995 elle joue dans les spectacles écrits et mis en scène par Valère Novarina (La Chair de l'Homme crée au Festival d'Avignon 1995, Le Jardin de reconnaissance en 1997 et l'Origine Rouge crée au Festival d'Avignon 2000). Présente à de multiples reprise depuis une dizaine d'années au Festival d'Avignon, elle joue le rôle d'Agnès en 2001 dans la cour d'honneur dans L'Ecole des Femmes mis en scène par Didier Bezace.
Au cinéma, elle a joué de petits rôles pour Jean-Luc Godard dans Soigne ta Droite mais aussi Jacques Rivette, Jérôme de Missolz et Sophie Fillières.