Агнес Робертсон Мурхед (англ. Agnes Robertson Moorehead) родилась в городе Клинтон, штат Массачусетс, 6 декабря 1900 года в семье пресвитеранского министра Джона Хендерсона Мурхеда и его жены, певицы Милдред МакКоли. Её первое выступление перед публикой состоялось в трёхлетнем возрасте в церкви её отца, где она прочла молитву «Отче наш». Позже её семья переехала в Сент-Луис, штат Миссури, где прошло её детство. В Сент-Луисе Агнес Мурхед выступала в городском оперном хоре, где у неё появилось прозвище «Муни»
В 1918 году она окончила среднюю школу, и хотя её отец не противился желанию дочери стать актрисой, он всё же настоял на том, чтобы она получила высшее образование. Мурхед поступила в колледж Мускингум в городе Нью-Конкорд в штате Огайо, который окончила в 1923 году со степенью бакалавра в биологии. Обучаясь в колледже, она впервые стала выступать на сцене в труппе студенческого театра. Затем Агнес Мурхед обучалась в аспирантуре Американской академии драматического искусства, который окончила в 1929 году.
Ранняя карьера Агнес Мурхед была не очень удачной — она долгое время не могла найти работу, и только с большим трудом устроилась ведущей на радио. Вскоре она познакомилась с актрисой Хелен Хэйс, которая безуспешно попыталась протолкнуть её в кино, но в итоге Мурхед пришлось продолжить работу на радио. В 1937 году Агнес Мурхед вступила в театральную труппу Орсона Уэллса. Спустя два года Уэллс подписал контракт со студией «RKO» и перевёл своих актёров в Голливуд для съёмок в кино. Там и состоялся дебют Агнес Мурхед на большом экране в драме Уэллса «Гражданин Кейн» (1941), где она сыграла его мать.
Спустя год на экраны вышел второй фильм с участием актрисы — «Великолепие Амберсонов», за роль в котором она была награждена премией нью-йоркских критиков, а также номинирована на «Оскар», за лучшую женскую роль второго плана. Далее последовали роли в таких фильмах, как «Путешествие в страх» (1943), «Мисс Паркингтон» (1944), которая принесла ей вторую номинацию на «Оскар», «С тех пор как вы ушли» (1944), «Джонни Белинда» (1948), её третья номинация на премию Американской киноакадемии, и «Плавучий театр» (1951).
В течение 1940-х и 1950-х годов Агнес Мурхед была одной из самых востребованных актрис на радио, в театре и в кино. В 1951—1952 годах у неё была роль в бродвейской постановке «Дон Жуан в Аду», а с 1962 по 1963 год она играла в пьесе «Лорд Пенго».
В 1964 году актриса стала исполнительницей роли колдуньи Эндоры, матери главной героини, в телесериале «Моя жена меня приворожила». Эта роль принесла Агнес Мурхед большую популярность, и она не расставалась с ней до окончания показа в 1972 году. За всю свою карьеру на телевидении она шесть раз номинировалась на «Эмми», но только раз стала её обладательницей за роль в драматическом сериале «Дикий, дикий запад». Четвёртый и последний раз актриса выдвигалась на «Оскар» в 1964 году за роль Велмы Кратер в фильме «Тише, тише, милая Шарлотта». Премию киноакадемии она не получила, но зато удостоилась другой награды — «Золотого глобуса».
В 1930 году Агнес Мурхед вышла замуж за актёра Джона Гриффита Ли. Вместе с ним она в 1949 году усыновила сироту, которого назвали Шон, и который повзрослев убежал из дома. В 1954 году, спустя два года после развода, Мурхед вышла замуж за актёра Роберта Гиста, брак с которым продлился 4 года. Несмотря на её замужества, после её смерти был очень распространён слух о том, что актриса была лесбиянкой.
Последние годы жизни Агнес Мурхед боролась с раком матки. Когда её состояние окончательно ухудшилось, она была переведена в методистскую клинику города Рочестер, штат Миннесота, где и умерла 30 апреля 1974 года. Актриса была похоронена в Дейтоне в Огайо. В 1994 году она была удостоена звезды на Аллее славы в Сент-Луисе.