Родилась 4 февраля (по старому стилю) 1901 года в Ковно в образованной еврейской семье. Её отец, Лев Николаевич (Абрам-Лев Нахманович, Абрам Нахменович) Волов (1871), родом из Шавлей. Мать, Мария Ильинична (Эльяшевна-Гиршовна) Волова (урождённая Блох; 1881—1959, родом из Ковно), занималась домашним хозяйством. Родители заключили брак 16 февраля 1900 года в Ковно. Брат матери — известный врач-оториноларинголог и фтизиатр Григорий Ильич Блох (1871—1938), в 1924—1936 годах директор горловой клиники Института климатологии туберкулёза в Ялте (ныне НИИ физических методов лечения и медицинской климатологии им. И. М. Сеченова); писал детские просветительские стихи и на протяжении многих лет состоял членом (позже помощником секретаря) Московского отделения Общества покровительства животным, а также созданного под его эгидой общества этического отношения к животным «Майский Союз». Родители меняли место жительства — дом Муратова на Садовой-Триумфальной улице (1903), дом Бородина на Садовой-Каретной улице (1904—1911), где семья жила и на протяжении 1920-х годов (квартира 25). Совместно с ним она написала три стихотворения — «Девочка-рёвушка», «Девочка чумазая» и «Считалочка». В 1927 году у них родился сын Эдгар (Гарик), а через 6 лет супруги развелись.

Вторым мужем Барто был теплоэнергетик, член-корреспондент АН СССР Андрей Владимирович Щегляев; дочь — кандидат технических наук Татьяна Андреевна Щегляева (род. 1933).

Во время Великой Отечественной войны Агния Барто с семьёй была эвакуирована в Свердловск. Там ей пришлось освоить профессию токаря. Премию, полученную во время войны, она отдала на строительство танка.

Умерла 1 апреля 1981 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 3).