1995–2000: Studio Buffo, Sara i 13 posterunek

W wieku 14 lat została zaangażowana przez Janusza Józefowicza do musicalu Metro. Podczas castingu skłamała, mówiąc że jest o rok starsza. 26 marca 1996 na scenie teatru Buffo zadebiutowała w spektaklu Tyle miłości. W 1996 pojawiła się również w teledysku K.A.S.Y. do piosenki „Reklama”. Początkowo planowała karierę muzyczną, ale ze względu na przebytą operację usunięcia guzków tarczycy była zmuszona zaprzestać śpiewania. Miała podpisany kontrakt fonograficzny z wytwórnią Tic-Tac.

W 1997 zagrała tytułową rolę w filmie Macieja Ślesickiego Sara. Do roli została wybrana spośród 250 kandydatek. Choć film okazał się kasowym sukcesem, w Polsce wywołał kontrowersje, a krytyce poddano przede wszystkim nagie sceny z udziałem Włodarczyk, która w chwili kręcenia filmu miała 16 lat. Wiesław Kot na łamach tygodnika „Wprost” napisał: „Pieścidełkiem filmu jest tytułowa Sara kreowana z wdziękiem przez Agnieszkę Włodarczyk. [...] Jej rozłożony w filmie na raty striptiz budzi raczej skojarzenia szpitalne. Widz-oglądacz czuje się tak, jakby przypadkiem wtargnął do łazienki, w której pensjonarka bierze prysznic. Zamiast podniecenia występuje zażenowanie”. Według Bożeny Janickiej z miesięcznika „Kino” Włodarczyk miała „najtrudniejsze zadanie [aktorskie]”, co argumentowała słowami: Śliczna, o miękkim spojrzeniu Marilyn Monroe, gra rolę dość niewdzięczną. Musi wygłaszać teksty, na które młoda widownia reaguje wybuchami śmiechu, zdaje się w tych momentach nieprzewidzianego. Odzywki w rodzaju: „chcę być twoją kobietą”, „urodzę ci dzieci” – są zapewne pastiszem (...), lecz młodzi widzowie pastiszowej intencji najwyraźniej nie łapią. Mimo niezbyt przychylnych opinii w kraju jej występ został doceniony przez jury Międzynarodowego Festiwalu Filmowego „Stożary” w Kijowie, na którym została nagrodzona w kategorii Najlepszy debiut.

W latach 1997–2000 grała Agnieszkę w sitcomach 13 posterunek (1997–1998) i 13 posterunek 2 (2000). Sara jak i 13 posterunek zapisały się w historii polskiego kina i telewizji jako produkcje kultowe.

W 1998 zagrała szwagierkę Naryszkina w spektaklu Cesarska miłość Leszka Wosiewicza dla Teatru Telewizji.

2000–2006: Plebania i kolejne role filmowe

Nowe tysiąclecie rozpoczęła m.in. od epizodów w Świecie według Kiepskich oraz filmie Pierwszy milion. Ponadto zagrała Mariolę w spektaklu Teatru Telewizji Nas troje Marka Koterskiego. W 2001 dołączyła do obsady serialu Plebania w roli Wiktorii „Wiki” Potoczny, w którym grała z przerwami do zakończenia jego produkcji w 2012. Po latach przyznała, że w tym serialu nauczyła się aktorstwa, ponieważ „zaczęto jej pisać przeróżne sceny, dramatyczne, komediowe”, dzięki czemu „zrozumiała, że może wszystko udźwignąć”. W 2001 zagrała też w filmie Poranek kojota oraz wcieliła się w rolę uczestniczki konkursu piękności, Tekli Kaczmarek w serialu Zostać miss.

W 2002 zagrała Stellę, jedną z głównych ról w filmie Olafa Lubaszenki E=mc², a tygodnik „Wprost” umieścił ją w rankingu najgorszych polskich aktorów filmowych. Sam film był jedną z najchętniej oglądanych polskich produkcji kinowych tego roku i jako kolejny w jej dorobku zyskał miano kultowego. W 2002 pojawiła się również w filmie Rób swoje, ryzyko jest twoje. W 2003 współprowadziła program rozrywkowy Polsatu Wiesio Szoł, składający się z krótkich skeczy i filmów slapstickowych, a także zagrała w kontynuacji serialu Zostać miss – Zostać miss 2. W 2004 wcieliła się w rolę Joli w kinowym hicie Nigdy w życiu!, będącym ekranizacją powieści Katarzyny Grocholi o tym samym tytule. Zagrała również m.in. w serialach Dziki (2004), Dziki 2: Pojedynek (2005) oraz Czego się boją faceci, czyli seks w mniejszym mieście (2005).

W 2005 uczestniczyła w pierwszej edycji emitowanego przez TVN programu Taniec z gwiazdami w parze z tancerzem Michałem Skawińskim. Była jedną z najpopularniejszych polskich aktorek w internecie w 2005 w rankingu sporządzonym przez portal Wirtualna Polska i serwis Netsprint. W 2006 zagrała Karolinę, dziewczynę „Adiego” w filmie Job, czyli ostatnia szara komórka, a na potrzeby ścieżki dźwiękowej produkcji nagrała piosenkę „Słońce rośnie w nas”.

2007: Jak oni śpiewają i debiut muzyczny

W 2007 uczestniczyła w pierwszej edycji muzycznego programu telewizji Polsat Jak oni śpiewają. Jej interpretacje polskich przebojów, takich jak „Odkryjemy miłość nieznaną” czy „Co mi Panie dasz”, zyskały uznanie jurorów i publiczności, a w jednym z odcinków programu zaśpiewała w duecie z Marylą Rodowicz. 2 czerwca wystąpiła w finale, który obejrzało prawie 5 mln telewidzów, wygrywając z 65% przewagą głosów. W nagrodę podpisała kontrakt płytowy z wytwórnią My Music. Wydała także debiutancki maxi-singel zawierający dwa covery, który uzyskał status platynowej płyty. Za udział w Jak oni śpiewają była nominowana do Róż Gali w kategorii Piękne debiuty oraz do Wiktorów w kategorii Największe odkrycie telewizyjne.

30 listopada 2007 wydała swój pierwszy album studyjny pt. Nie dla oka..., który po premierze spotkał się z mieszanym odbiorem. Jeden z recenzentów napisał, że „Włodarczyk jest dobrą wokalistką”, jednak w jej wykonaniach brakuje „pasji, zaangażowania i uczuć”. Inny krytyk stwierdził, że „jako artystka, znana do tej pory wyłącznie z filmów i seriali, wypadła całkiem dobrze. W przeciwieństwie do kolegów i koleżanek po fachu, którzy już wcześniej próbowali sił za mikrofonem, swojego debiutu nie musi się wstydzić”. Album uplasował się na 21. miejscu polskiej listy sprzedaży i uzyskał status złotej płyty. Wydawnictwo promowała singlami „Zawsze byłam” i „Bez makijażu”. Za muzyczny debiut uzyskała nominacje do Superjedynek w kategoriach Fonograficzny debiut roku (Nie dla oka...), Przebój roku („Zawsze byłam”) i Artysta roku.

Poza realizacją projektów muzycznych, w 2007 kontynuowała karierę aktorską. Wcieliła się w rolę Irenki w serialu Ja wam pokażę! oraz zagrała w spektaklu Teatru Telewizji Czerwone komety Andrzeja Strzeleckiego.

Od 2008: Programy telewizyjne, Pierwsza miłość i pozostałe projekty

Latem 2008 na składance Hity na Czasie radia Eska ukazał się jej premierowy utwór „To on”. Jesienią tego roku wzięła udział w trzeciej edycji programu TVP2 Gwiazdy tańczą na lodzie w parze z Łukaszem Jóźwiakiem, docierając do finału, w którym przegrali z Samuelem Palmerem i Agnieszką Dulej. W 2009 dołączyła do obsady serialu Pierwsza miłość, w którym do 2012 wcielała się w postać Anny Bilewskiej. Latem 2009 wystąpiła w duecie z Alicją Majewską podczas stulecia sopockiej Opery Leśnej na festiwalu TOPtrendy, a następnie wydała singel „Czas pokaże”, który znalazł się na wakacyjnej składance radia RMF FM. Ponadto zajęła drugie miejsce w szóstej, mistrzowskiej edycji programu Jak oni śpiewają, w której udział wzięli finaliści pięciu poprzednich edycji show.

W lipcu 2010 wystąpiła na Festiwalu Piosenki Rosyjskiej w Zielonej Górze. Za wykonanie piosenki „Opyat metel” zajęła drugie miejsce i zdobyła Srebrny Samowar. 22 listopada 2011 wydała album z kolędami zatytułowany Najpiękniejsze polskie kolędy. W 2012 zagrała Beatę w filmie Kac Wawa. W lipcu 2013 wydała singel „Twoja mała Aga”.

Wiosną 2014 uczestniczyła w pierwszej edycji programu telewizji Polsat Twoja twarz brzmi znajomo. W finale zajęła drugie miejsce. W lipcu 2014 odcisnęła dłoń na Promenadzie Gwiazd podczas 19. Festiwalu Gwiazd w Międzyzdrojach. W grudniu 2015 wydała cover utworu „Such a Shame” zespołu Talk Talk, który nagrała we współpracy z DJ-em Adamusem na jego jubileuszowy album.

W 2016 w parze z Marią Konarowską wzięła udział w pierwszej edycji programu stacji TVN Azja Express. Wspólnie zajęły drugie miejsce. We wrześniu 2018 dołączyła do obsady spektaklu Przygoda z ogrodnikiem, w którym grała agentkę Ruby Delvecchio.

Po narodzinach syna skupiła się na życiu rodzinnym, odrzucając w tym czasie m.in. propozycje wzięcia udziału w dwóch programach rozrywkowych. W 2024 stworzyła autorską markę perfum La Romme.

Filmy fabularne

• 1997: Sara – jako Sara
• 2000: Pierwszy milion – jako blond piękność
• 2001: Poranek kojota – jako pielęgniarka
• 2002: Rób swoje, ryzyko jest twoje – jako Telimena Hofman, bohaterka serialu
• 2002: E=mc² – jako Stella, dziewczyna „Ramzesa”
• 2004: Nigdy w życiu! – jako Jola Zabłocka, druga żona Tomasza Kozłowskiego
• 2006: Job, czyli ostatnia szara komórka – jako Karolina, dziewczyna „Adiego”
• 2012: Kac Wawa – jako Beata
• 2019: Diablo. Wyścig o wszystko – jako Paloma

Seriale telewizyjne

• 1997–1998: 13 posterunek – jako Agnieszka
• 2000: 13 posterunek 2 – jako Agnieszka
• 2000: Pierwszy milion – jako prostytutka
• 2000: Na dobre i na złe – jako Basia, dziewczyna Mirka (odc. 46)
• 2000: Świat według Kiepskich – jako Bronka, kuzynka Paździocha (odc. 53)
• 2001–2003, 2005–2008, 2010–2012: Plebania – jako Wiktoria „Wiki” Potoczny, siostra księdza Adama
• 2001: Zostać miss – jako Tekla Kaczmarek, uczestniczka konkursu
• 2003: Zostać miss 2 – jako Tekla Kaczmarek, uczestniczka konkursu „Miss Venus”
• 2004: Dziki – jako Magda Lipska, właścicielka baru
• 2004: Rodzinka – jako Agata Krupa, żona Wieśka (odc. 15)
• 2004: Kryminalni – jako prostytutka Katarzyna Litycka (odc. 3)
• 2005: Czego się boją faceci, czyli seks w mniejszym mieście – jako Olga Wojnowska „Wenus” (seria 3, odc. 6–10)
• 2005: Dziki 2: Pojedynek – jako Magda Lipska, właścicielka baru
• 2005: Talki z resztą – jako Zuzka, narzeczona Kazika
• 2007: Ja wam pokażę! – jako Irenka, sekretarka redaktora naczelnego (odc. 1–12)
• 2008: Daleko od noszy – jako pani Przypióra, inspektor Krajowego Zrzeszenia Hotelarskiego (odc. 162)
• 2009–2012: Pierwsza miłość – jako Anna Bilewska
• 2011: My Baby – jako Zosia, córka Urszuli
• 2016: Druga szansa – jako ona sama (odc. 8)

Studio Buffo

• Metro (reż. Janusz Józefowicz)
• Tyle miłości (reż. Janusz Józefowicz; data pierwszego występu: 26 marca 1996)

Teatr Telewizji

• 1998: Cesarska miłość (reż. Leszek Wosiewicz) – jako szwagierka Naryszkina
• 2000: Nas troje (reż. Marek Koterski) – jako Mariola
• 2007: Czerwone komety (reż. Andrzej Strzelecki) – jako Bibi Kroll, siostra Lili

Teatry objazdowe

• 2018–2021: Przygoda z ogrodnikiem (różni reżyserzy) – jako agentka Ruby Delvecchio

Albumy studyjne

Maxi single

Single

Ścieżki dźwiękowe

Pozostałe utwory

Gościnnie

• 1996: K.A.S.A. – „Reklama”
• 2014: Rockoholic – „Teraz Ty”