Окончил Магнитогорский государственный педагогический институт (1964) и аспирантуру МГПИ (1969). Преподавал в 1964—1966 в альма-матер, затем в 1970—1976 в Московском институте молодёжи (тогда — Высшая Комсомольская Школа при ЦК ВЛКСМ). На сегодняшний день преподаёт в МПГУ (с 1976) и на кафедре истории журналистики и литературы ИМПЭ имени Грибоедова.
Работал в Вульфсон-колледжисе Оксфордского университета (1996), читал лекции в Германии (1971, 1976), Сирии (1990), Пекинском университете иностранных языков (1997—1998).
Член Союза писателей Москвы (1994). Член редколлегий «Российского филологического журнала» (с 1990), реферативного журнала «Литературоведение» (с 1993). Печатается в журналах «Филологические науки», «Знамя».
Агеносову принадлежат монографии «Генезис философского романа» (М., 1986), «Творчество М. Пришвина и советский философский роман» (М., 1988), «Советский философский роман» (М., 1989, 1990), «Литература russkogo зарубежья» (М., 1998). Агеносов стал научным руководителем и редактором учебных комплексов по истории русской литературы ХХ века для старшеклассников (11 класс) и для студентов гуманитарных факультетов. Школьный учебник под редакцией Агеносова выдержал множество переизданий и был выдвинут на Государственную премию РФ. Учебник для вузов, созданный Агеносовым, получил первую премию МПГУ.
В 2009 Агеносовым был записан ряд лекций для образовательного проекта «Русская литература» канала «Бибигон».
Научные интересы Агеносова в 1980-е — начало 1990-х годов были связаны с явлением «философского романа», подробно проанализированном исследователем на примере творчества Л. Леонова, М. Булгакова, А. Платонова, Ю. Домбровского, А. Кима, Ч. Айтматова и др. В 1990-е годы ученый увлекается историей русской эмиграции, особенно так называемой «второй волной» русской эмиграции, совпавшей по времени с Великой отечественной. Его стараниями впервые на родине издается сборник стихов поэта-эмигранта Н. Моршена (Н. Марченко) «Пуще неволи» (М., 2000), его учениками исследуется художественный мир этого самобытного поэта.
Под его руководством были защищены 4 докторских и более 30 кандидатских диссертаций. Среди его учеников, в частности, доктора филологических наук Наталья Семёновна Выгон и Олег Викторович Дефье.
В последние годы Агеносов активно отстаивает необходимость более полного изучения литературы, отмены ЕГЭ, с чем связаны его выступления в прессе и на телевидении.
Для высшей школы Агеносов составил учебные пособия «Литература народов России» (М., 1995, в соавторстве с Е. А. Майминым и Р. З. Хайруллиным), «Литература русского зарубежья (1918—1996)» (Для вузов. М., «Терра», «Спорт», 1998) и «Современные русские поэты. Справочник-антология» (М., «Мегатрон», «Библиомаркет», 1997, в соавторстве с К. Н. Анкудиновым). По поводу последней из этих книг Михаил Айзенберг отмечал в своей рецензии:
Также Агеносов был научным редактором учебников «Русская литература XX в.» (в 2-х тт., 1996, 1997, 1998) и «Русская литература Серебряного века» (1997), составил хрестоматию для 11-го класса «Русская литература XX в.» (в 2-х тт.). Эти учебные пособия получили, как было указано выше, высокую оценку на государственном и профессиональном уровне. В прессе, однако, резко отрицательно оценил их кандидат филологических наук А. Аникин: