Agata Buzek è nata a Gliwice, Polonia, nel 1976 e si è formata all'Accademia Teatrale di Varsavia. Dopo il debutto cinematografico in La ballata dei lavavetri di Peter del Monte, è apparsa in numerose coproduzioni internazionali, tra cui Libre Circulation di Jean-Marc Moutout, Valerie di Birgit Moller, e in film diretti da grandi personalità, come Skarby ukryte z cyklu 'Opowiesci weekendowe (The Hidden Treasure) di Krysztof Zanussi; La Vendetta di Andrzej Wajda, film che le è valso una nomination come miglior attrice non-protagonista ai Premi del Cinema Polacco; Nightwatching di Peter Greenaway e Within the Whirlwind di Marleen Gorris.
Per la sua interpretazione in The Reverse di Borys Lankosz, proposto dalla Polonia agli Oscar® come miglior film in lingua straniera, ha ricevuto nel suo paese il Premio Aquila come miglior attrice protagonista, un premio come miglior attrice al trentaquattresimo Festival del cinema polacco di Gdynia ed è stata nominata come Shooting Star per la Polonia alla Berlinale del 2010.
Nel 2014 è diretta ancora una volta da Krysztof Zanussi nel film Corpo estraneo.
Buzek è anche attiva nel mondo teatrale classico, moderno e alternativo ed è cofondatrice della Fondazione Arteria, che si occupa di progetti artistici, sociali ed educativi.