Si dedicò fin dalla giovinezza agli studi scientifici e in modo particolare alla matematica. Grazie a Jacopo Riccati e a padre Rampinelli pubblicò nel 1748 le Istituzioni analitiche, dedicate all'imperatrice Maria Teresa, opera che godette di larga fama e fu tradotta in francese (1775) e in inglese (1801). Nel 1750 sostituì il padre nell'insegnamento della matematica all'Università di Bologna. Benedetto XIV le consentì quindi di ricoprire ufficialmente la cattedra, ma la Agnesi rifiutò per dedicarsi, dopo la morte del padre, nel 1752, ad opere di carità.