Après avoir fréquenté les Beaux-Arts d'Orléans et l'IDHEC, Agnès Merlet réalise plusieurs courts métrages, dont Artémésia (1983) et Poussieres d'etoiles (1986), lauréat du Prix Jean Vigo. Très active dans les années 80, elle est également documentariste et "clippeuse". En 1994, elle réalise Le Fils du requin, premier long-métrage adapté d'un véritable fait divers, où de deux garcons abandonnés par leur mère se réfugient dans la violence et la petite délinquance. Le film est nommé au César de la Meilleure première oeuvre.

En 1997, Agnès Merlet adapte au format long son tout premier court-métrage : Artemisia, avec Michel Serrault en vedette, s'intéresse au destin d'Artemisia Gentileschi, fille du peintre Orazio. Ce film d'époque, véritable déclaration d'amour à la peinture, est nommé au Golden Globe du Meilleur film étranger et impose définitivement l'univers de la cinéaste, fort et exigeant. Agnès Merlet va cependant devoir attendre près de dix ans pour revenir derrière la caméra avec Dorothy, un thriller sombre et inquiétant emmené par la Hollandaise Carice Van Houten et la jeune Jenn Murray dans le rôle d'une enfant atteinte du syndrome de la personnalité multiple.