De oudste bronnen over Agnes vertellen dat zij in problemen was geraakt doordat ze geweigerd had met de zoon van de Romeinse stadsprefect te huwen. Ze wilde haar maagdelijkheid niet prijsgeven omdat ze zichzelf als bruid aan Christus had toegewijd. De stadsprefect leverde haar daarom over aan antichristelijke rechters.
Onder bedreiging van gruwelijke lijfstraffen werd ze gedwongen haar geloof af te zweren. Agnes hield stand en werd veroordeeld tot verkrachting en een bestaan als seksslavin. In het bordeel werd ze opgezocht door de zoon van de stadsprefect. Toen hij haar wilde aanraken, werd hij door een bovennatuurlijke kracht teruggeworpen waardoor hij dood neerviel. Daarop liet de prefect haar als heks veroordelen. Ze werd in het stadion van Domitianus in een groot vuur geworpen. Omdat de vlammen haar lichaam intact lieten, werd Agnes uiteindelijk onthoofd.
Agnes werd na haar dood geroemd door tal van kerkvaders en dichters. Zo maakte paus Damasus I (366-384) haar grafschrift. Zij werd bijgezet in de Cappella di Sabina in Rome.
Ook Sint Ambrosius van Milaan (339-379) schreef over haar. Habetis igitur in una hostia duplex martyrium, pudoris et religionis: et virgo permansit et martyrium obtinuit (‘Aanschouwt daarom in dit slachtoffer een dubbel martelaarschap: van bescheidenheid en van godsvrucht. Zij bleef maagd en verkreeg de kroon van het martelaarschap’), schreef Ambrosius in zijn homilie De virginibus. De bekende dichter Prudentius (348-405) roemde haar moed en haar trouw aan Christus in hymne 14 in zijn Peristephanon.
Op de locatie waar Agnes de marteldood stierf, staat nu de naar haar vernoemde Sant’Agnese in Agone. Deze barokkerk staat aan de Piazza Navona, waar in heidense tijden het stadion van Domitianus stond.
Jaarlijks worden op 21 januari in de grafkerk van de martelares twee lammeren gezegend. De reden hiervoor schuilt in de betekenis van haar naam. Agnus is Latijn voor ‘lam’ en agnos is Grieks voor 'rein'. De zuivere lamswol wordt gebruikt voor het pallium (kerkelijk rangonderscheidingsteken in de vorm van een schouderstool) van de aartsbisschoppen.
Agnes behoort met Felicitas, Perpetua, Agatha, Lucia, Cecilia en Anastasia tot de maagd-martelaressen die worden genoemd in de Canon (Eucharistisch gebed) van de Romeinse Ritus.
