Urodziła się we Wrocławiu, tam też ukończyła z wyróżnieniem Primus Inter Pares studia kompozytorskie w klasie Jana Wichrowskiego oraz wokalne pod kierunkiem Danuty Paziuk-Zipser w Akademii Muzycznej im. Karola Lipińskiego. Umiejętności pogłębiała również w Holandii oraz na licznych kursach. W 2004 roku uzyskała tytuł doktora, a w 2014 doktora habilitowanego sztuki muzycznej. Na co dzień wykłada we wrocławskiej akademii muzycznej. Była stypendystką m.in. Ministra Kultury, Rockefeller Foundation, Ernst von Siemens Musikstiftung, Zarządu Miasta Wrocławia oraz Fundacji Edukacji Międzynarodowej. Minister Kultury i Dziedzictwa Narodowego uhonorował ją odznaką Zasłużony dla Kultury Polskiej.
Jako wokalistka brała udział w wielu prestiżowych wydarzeniach muzycznych. W jej repertuarze specjalne miejsce zajmuje muzyka najnowsza. Współtworzy z Cezarym Duchnowskim duet ElettroVoce. W ciągu kilku minionych lat oprócz wielu prawykonań i nagrań dzieł współczesnych twórców dała się poznać jako wykonawczyni Chantefleurs et Chantefables Witolda Lutosławskiego (Musica Polonica Nova), DW9 Bernharda Langa (Warszawska Jesień), Luci mie traditrici Salvatore’a Sciarrina (Festiwal Nostalgia), Gwiazdy Zygmunta Krauzego (adaptacja elektroakustyczna Cezarego Duchnowskiego w Teatrze Polskim we Wrocławiu) czy też roli tytułowej w operze Dobromiły Jaskot Fedra i Madeline w Zagładzie domu Usherów Philipa Glassa (Teatr Wielki – Opera Narodowa). Za tytułową rolę w operze Ogród Marty Cezarego Duchnowskiego otrzymała doroczną nagrodę Orfeusz. Uczestniczyła w eksperymentalnym projekcie improwizacji podczas koncertu zamówionego przez organizatorów Międzynarodowych Kursów Kompozytorskich w Darmstadcie. Koncertowała wiele za granicą: we Włoszech, w Belgii, Szwajcarii, Francji, Holandii, Austrii, Portugalii, Niemczech, Wielkiej Brytanii, Irlandii, Rosji, na Ukrainie, Litwie i Łotwie, w Grecji, Danii, Szwecji, Norwegii, Finlandii, Korei Południowej, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych. Współpracowała z takimi zespołami, jak Klangforum Wien, musikFabrik, London Sinfonietta, Eighth Blackbird Ensemble, Seattle Chamber Players. Wśród jej kilkunastu publikacji fonograficznych znajdują się m.in. kompozytorskie: wydana przez KAIROS monograficzna płyta Not I oraz nagrodzony Fryderykiem album Cascando (CD Accord); wokalne: Poems z interpretacjami pieśni Coplanda, Berga i Szymańskiego oraz nominowany do Fryderyka album El-Derwid. Plamy na słońcu. Laureatka kilkunastu konkursów (w tym międzynarodowych) zarówno wokalnych, jak i kompozytorskich. Na początku 2005 r. otrzymała prestiżowy Paszport „Polityki”. W tym samym roku jej II Symfonia (napisana na zamówienie rozgłośni Deutsche Welle) miała swoje prawykonanie podczas Festiwalu Beethovenowskiego w Bonn. Wśród kolejnych zamówień znalazły się m.in. Kwartet smyczkowy nr 1 (Festiwal UltraSchall w Berlinie, 2007), nad Pieśniami (Festiwal Wratislavia Cantans, 2007), Cascando (Festiwal Muzyki Europy Środkowej w Seattle, 2007), III Symfonia (w ramach stypendium Rockefeller Foundation, 2008), Aforyzmy na Miłosza (Festiwal Sacrum Profanum w Krakowie, 2011), Shades of Ice (London Sinfonietta, 2011), Ulicami ludzkiego miasta (Deutschlandfunk dla festiwalu Warszawska Jesień, 2011), Labirynt (Instytut Polski w Tel Awiwie, 2012), What is the word (Klangforum Wien, 2012), Percussion Store (Filharmonia Krakowska, 2012). W 2010 jej opera-balet Between została wystawiona w Teatrze Wielkim – Operze Narodowej, a w 2011 zamówiono kolejne dzieło dla tej sceny: dramatooperę Oresteja (wystawioną wraz z Teatrem Narodowym w reż. Mai Kleczewskiej).
W 2011 Agata Zubel została zaproszona jako composer-in-residence festiwalu Other Minds w San Francisco. Przez dwa sezony (2010– 12) była też kompozytorem rezydentem Filharmonii im. Karola Szymanowskiego w Krakowie. Szczególnym wydarzeniem festiwalu Sacrum Profanum roku 2012 był koncert zespołu Klangforum Wien w całości poświęcony jej kompozycjom. W 2013 jej kompozycja Not I zarejestrowana wraz z Klangforum Wien, reprezentująca Polskie Radio, otrzymała najwyższą notę podczas 60. Międzynarodowej Trybuny Kompozytorów UNESCO w Pradze. W 2014 za utwór ten otrzymała także nagrodę Polonica Nova.

Ważniejsze utwory: Nokturn na skrzypce solo (1997), Lumière na perkusję solo (1997), Trzy miniatury na fortepian (1998), Urodziny na chór mieszany a cappella do słów Wisławy Szymborskiej (1998), Piosenka o końcu świata na głos, recytatora i zespół instrumentalny do słów Czesława Miłosza (1998), Rozważania na chór mieszany a cappella do wierszy Jana Twardowskiego (1999), Ragnatela na fagot i orkiestrę smyczkową (1999), Ludia i Fu na gitarę solo (1999), Ballada na głos, perkusję i taśmę (1999), Zdjęcia z albumu na marimbę i kwartet smyczkowy (2000), Trivellazione a percussione na perkusję (2000), Re-Cycle dla pięciu perkusistów (2001), Lentille na orkiestrę smyczkową, głos i akordeon (2001), I Symfonia (2002), Nelumbo na cztery marimby (2003), Unisono I na głos, perkusję i komputer (2003), Unisono II na głos, akordeon i komputer (2003), Concerto grosso na flety proste, skrzypce barokowe, klawesyn i dwa chóry (2004), Opowiadania na głos i fortepian preparowany (2004), II Symfonia dla 77 wykonawców (2005), Kwartet smyczkowy nr 1 na cztery wiolonczele i komputer (2006), Obciążenie dopuszczalne na perkusję i komputer (2006), Cascando na głos, flet, klarnet, skrzypce i wiolonczelę (2007), nad Pieśniami na głos, wiolonczelę, chór i orkiestrę (2007), Between, opera/balet na głos, elektronikę i tancerzy (2008), III Symfonia na trąbkę i orkiestrę symfoniczną (2008/2009), Not I na głos, zespół kameralny i elektronikę do słów Samuela Becketta (2010), Oresteja, dramatoopera na solistów, aktorów, chór, perkusję i elektronikę (2011), Suite for percussion trio (2011), Aforyzmy na Miłosza na sopran i zespół instrumentalny do słów Czesława Miłosza (2011), Ulicami ludzkiego miasta na zespół (2011), Odcienie lodu na klarnet, wiolonczelę i elektronikę (2011), Labirynt na głos i zespół instrumentalny do słów Wisławy Szymborskiej (2011), What is the word na głos i zespół instrumentalny do słów Samuela Becketta (2012), Wounded Angel na podwójną trąbkę (2009/12), Percussion Store na zespół perkusyjny i orkiestrę (2012), Lullaby na chór mieszany do słów Williama Shakespeare’a (2013), Pomiędzy odpływem myśli a przypływem snu na głos, fortepian i orkiestrę smyczkową do poezji Tadeusza Dąbrowskiego (2013), IN na wielką orkiestrę symfoniczną (2013), Cadenza na skrzypce solo (2013), Where to na zespół instrumentalny (2014).