Artiste touche-à-tout, Agathe de La Boulaye s'initie au cinéma en suivant une formation à la Fémis. Elle fait ses débuts sur les planches et à la télévision, avant de se lancer sur le grand écran en 1995 avec une apparition dans Jefferson à Paris de James Ivory. La comédienne alterne ensuite entre petits rôles (Un amour de sorcière, Hygiène de l'assassin) et personnages plus conséquents dans des productions plus modestes (Vive elle, Pudeur oblige). En 2002, elle se fait remarquer en copine de Cécile de France dans Irène, puis rejoint l'équipe de Michel Vaillant sous la direction de Louis-Pascal Couvelaire.

Après une première expérience internationale dans le drame The Girl, face à Claire Keim, elle est retenue pour "arbitrer" le duel Alien vs. Predator de Paul Anderson. Elle poursuit sur sa lancée en 2004 avec le film de guerre The Drop, dans lequel elle donne la réplique à Michael Madsen et à Billy Zane. Travaillant parallèlement sur la création d'une bande dessinée centrée sur les goules et les vampires dans le catalogue de Casterman, l'actrice tente aussi une expérience dans la réalisation avec son premier court métrage, Le paravent (2003), dans lequel elle incarne également le personnage de Pauline.

En 2005, elle tient le premier rôle de la série sentimentale française Si j'avais des millions avant de rejoindre Anthony Delon pour un autre premier rôle dans la série 3 femmes... un soir d'été. Elle donne la réplique à Stanislas Merhar et à Sophie Quinton en 2006 en interprétant le rôle de Laure dans Müetter de Dominique Lienhard, puis se retrouve plongée dans un monde horrifique de meurtres et de viols dans Dying God (2008) de Fabrice Lambot. C'est ensuite Charlotte Brandström qui fait appel à elle, lui confiant le rôle de Claire Morvan dans le téléfilm L'Affaire Bruay-en-Artois, récompensé à La Rochelle. En 2012, l'actrice retrouve l'univers du film policier sur un ton beaucoup plus humoristique avec la comédie de Pascal Thomas, Associés contre le crime..., aux côtés de Catherine Frot et d'André Dussollier.