Agnieszka Grochowska es una de las mejores actrices polacas de su joven generación. En 2002 completó su formación en la Academia de Teatro de Varsovia. En 2001 se estrenó con el papel protagonista de la obra de teatro para televisión Beatryks Cenci, y tras completar sus estudios trabajó en la teleserie «Missing Ursula». Poco después fue contratada por el teatro Studio de Varsovia, donde actuó con los prestigiosos actores polacos Krystyna Janda y Zbigniew Zapasiewicz, entre otros. Fue durante su etapa en el Studio cuando optó al premio Feliks por sus papeles en las obras Mewa y Amadeusz.

Su debut en el cine fue en 2002, cuando actuó en la película AlaRm, dirigida por su futuro marido Dariusz Gajewski. Un año después ambos colaboraron de nuevo en el popular drama Warsaw (Warszawa), en el que Grochowska interpretaba a Klara, una muchacha ingenua y simpática. Su papel en The Welts (Pregi), película de Magdalena Piekorz coprotagonizada por Michał Żebrowski, fue un gran salto en su carrera: gracias a este trabajo optó a los premios del Cine Polaco y del Cine Europeo a la mejor actriz y al premio Zbyszek Cybulski. Grochowska ha protagonizado diversas producciones extranjeras, como Upperdog de Sara Johnsen (Noruega, 2009) y Beyond the Steppes (Stepy) de Vanja d'Alcantara (Bélgica, 2010). Este último papel fue objeto de críticas muy favorables en The Hollywood Reporter y otras publicaciones internacionales.