Szüleit kora gyermekkorában autóbaleset következtében elveszítette. Három testvérével együtt nagyapja, a FIAT autógyár alapítója nevelte. 1939-ben, a gimnázium elvégzése után önkéntesként belépett a hadseregbe és egy expedíciós hadosztály tagjaként harcolt a Szovjetunióban, majd Tunéziában. Az olasz kapitulációt követően csatlakozott az antifasiszta ellenállási mozgalomhoz. A háború után jogot tanult, majd doktorrá avatása után belépett a családi konszernbe. Először csak gazdag aranyifjúként foglalkozott vele a bulvársajtó, 31 éves korában azonban fordulat állt be életében, egy autóbaleset következtében jobb lába részben megbénult, s ettől kezdve csak az üzletnek élt. 1963-95 között a Fiat céget vezette. Birodalmát az autógyártáson túl is kiterjesztette, például a magas- és mélyépítési vállalkozásokra. Közben politikai szerepet is vállalt: 1974-76-ig a Munkaadók Szövetségének elnöke volt, 1976- 79 között pedig a Kereszténydemokrata Párt képviselője. A torinói konszern az 1980-as évek elején komoly válságba került, de Agnellinek ügyes pénzügyi manőverekkel sikerült ezt leküzdenie és valamennyi termelőágat talpra állítania, nyereségessé tennie. Megszerezte a Ferrari, a Lancia céget, majd az Alfa Romeót. Ekkor már 270 ezer embert foglalkoztatott. 1987-ben már az olasz gépkocsigyártás 60 százaléka a kezében volt, s érdekeltté vált számos ipari üzemben, szállítmányozási vállalatban, reklámügynökségben, az Alitalia légitársaságban, a lap- és könyvkiadásban, a televíziózásban. 1991-ben az olasz szenátus örökös tagjává választották. 1996-tól a Fiat-csoport tiszteletbeli elnöke volt. 2003. január 24-én halt meg Torinóban.