Nata nel quartiere milanese del Giambellino, figlia di Domenico Magnoni, artigiano, e di Adele Margherita Dossena, lavora come segretaria alla Rinascente di Milano, ma il suo sogno è il cinema. Giunge a Roma con la condizione posta dal padre, contrario alla sua vocazione di attrice, di ottenere il successo entro sei mesi dal suo arrivo alla capitale. Quel poco tempo le basta per ottenere già una piccola parte nel film Banditi a Milano (1968) di Carlo Lizzani.

Stabilitasi definitivamente nella capitale, la sua avvenenza l'aiuta a ottenere le prime piccole parti in una serie di commedie, musicarelli e thriller tra cui Angeli senza paradiso (1970), Giornata nera per l'ariete e Barbablù (1972). L'attrice riesce a farsi notare per il ruolo della moglie di Giancarlo Giannini in Mimì metallurgico ferito nell'onore di Lina Wertmüller, anche se sono L'ultima neve di primavera di Raimondo Del Balzo e Sepolta viva di Aldo Lado a imporla al grande pubblico e farle conoscere il futuro compagno, l'attore norvegese Fred Robsahm, cognato di Ugo Tognazzi.

Nel 1974 è Sara in Profumo di donna di Dino Risi, il ruolo più celebre della sua carriera, che le fa vincere il Globo d'oro alla miglior attrice rivelazione, anche se ammetterà che il rapporto con Vittorio Gassman non fu facile. Un sequel, pensato dalla stessa Belli, non sarà mai realizzato. Ormai famosa, viene chiamata per affrontare ruoli più impegnativi, ma non vuole staccarsi dal cinema prettamente commerciale. Nel frattempo, infatti, continua a essere fra le protagoniste della commedia erotica all'italiana, talora ambiziosa come ne Il piatto piange di Paolo Nuzzi, tratto da Piero Chiara, altre volte trascurabile, come Due cuori, una cappella con Renato Pozzetto e Virilità di Paolo Cavara, contendendo a Laura Antonelli il ruolo di icona sexy di questo periodo.

Due anni dopo Dino Risi la chiama ancora per Telefoni bianchi, per la cui interpretazione vincerà la Targa d'oro ai David di Donatello 1976; il film viene accolto tiepidamente in Italia ma ha grande successo in Francia, dove la Belli viene subito chiamata per affiancare Philippe Noiret in Giochi di fuoco. In film come Conviene far bene l'amore e Cara sposa, oltre alla bellezza, Agostina Belli mostra una vis comica notevole, mai veramente sfruttata dal cinema italiano. In questo periodo posa nuda per l'edizione italiana di Playboy.

Sul finire degli anni settanta, al culmine della popolarità, la Belli partecipa ad alcune coproduzioni internazionali come Holocaust 2000, Il Genio, Doppio delitto, Un taxi color malva, e, nel 1978, Enfantasme di Sergio Gobbi, un inquietante dramma che segna la fine del periodo d'oro dell'attrice e l'inizio di una pausa professionale di qualche anno.

Negli anni ottanta e novanta l'attrice milanese torna sporadicamente sul set; fra le apparizioni di questo periodo, ricordiamo Vai avanti tu che mi vien da ridere (1982), Soldati - 365 all'alba (1987) di Marco Risi e la miniserie televisiva La voce del cuore (1995). Nel 1996 decide di ritirarsi dalle scene. Nel 2006 la Belli torna sul set con il film Uno su due di Eugenio Cappuccio; interpreterà ancora qualche film negli anni seguenti, prima di ritirarsi definitivamente dal cinema. Nel 2007 compare nel ruolo di se stessa in Natural Born Star, un documentario di Even Benestad che racconta il periodo d'oro e il declino dell'ex compagno Fred Robsahm.