Sie wurde auf der griechischen Insel Lefkas geboren. Ihre Studien absolvierte sie an der Musikakademie in Athen und mit einem Maria Callas-Stipendium in München. Nach ihrem Debüt als Cherubino in Die Hochzeit des Figaro in Frankfurt folgten Engagements an den Opernhäusern in Berlin, Wien, Mailand, London, München, New York und Chicago.
Ihr umfangreiches Repertoire reicht von Partien wie Sesto in La clemenza di Tito, Idamante in Idomeneo, Octavian im Rosenkavalier, Komponist in Ariadne auf Naxos, Rosina im Barbier von Sevilla, Isabella in L‘Italiana in Algeri, Eboli in Don Carlo, Santuzza in Cavalleria rusticana, Azucena in Il trovatore, Elisabetta in Maria Stuarda, Romeo in I Capuleti e I Montecchi, Fidès im Prophet, Kundry in Parsifal, Küsterin in Jenufa und Klytämnestra in Elektra bis zu den Titelpartien in Orfeo ed Euridice, La Cenerentola, Carmen, Dalila, Fedora und Hérodiade. Seit 1970 war sie regelmäßig Teil der Salzburger Festspiele unter Herbert von Karajan, sang dort auch Dorabella in Così fan tutte unter Riccardo Muti und war 1993 unter Bernhard Haitink in Bartoks Herzog Blaubarts Burg zu hören.
Bei der Eröffnung der Griechischen Nationaloper im neuen Stavros Niarchos Foundation Kulturzentrum am 15.10.17 gastierte sie als Klytämnestra. Sie veröffentlichte Schallplatten mit den Dirigenten Herbert von Karajan, Böhm, Bernstein, Muti, Sinopoli, Ozawa, Maazel, Davis und Abbado.
Agnes Baltsa ist Österreichische Kammersängerin, seit 1988 Ehrenmitglied der Wiener Staatsoper und seit 1993 Mitglied der Europäischen Akademie für Kunst und Wissenschaft. Sie erhielt zahlreiche Ehrungen wie den Deutschen Schallplattenpreis und das Große Verdienstkreuz der Bundesrepublik Deutschland.