Philippe Agostini travaille très vite au cinéma puisqu'il réalise ses premières lumières dès 1934 pour le film Itto de Jean-Benoît Lévy. Il fait ensuite équipe avec des cinéastes comme Marcel Carné pour Le jour se lève en 1939 et Les Portes de la nuit en 1946, ou encore Robert Bresson sur Les Anges du péché en 1943 et Les Dames du bois de Boulogne en 1945.

Il reste très prisé comme chef opérateur jusque dans les années cinquante, travaillant avec Claude Autant-Lara sur Sylvie et le Fantôme en 1945, Marcel Pagnol sur Topaze en 1951 et Max Ophuls sur Le Plaisir en 1952. Philippe Agostini rencontre également Jules Dassin pour qui il signe les lumières de Du rififi chez les hommes en 1955. Il collabore encore avec Sacha Guitry pour Si Paris nous était conté en 1955 et avec Henri Verneuil à l'occasion de Paris Palace Hôtel en 1956. Enfin il est chef opérateur pour Louis Malle et Jacques-Yves Cousteau sur Le Monde du silence en 1956.

Puis il décide de devenir réalisateur. Il signe ainsi jusqu'au milieu des années 70 plusieurs dramatiques et séries télévisées dont L'Age en fleur en 1975. Philippe Agostini a aussi réalisé quelques longs métrages dont le plus célèbre est Le Dialogue des Carmélites qui date de 1960.