En complément de sa formation à l'école centrale de Lyon, Agnès Breitenstein est également titulaire d'un DEA en sciences économiques appliquées à l'analyse de la recherche et de l'innovation (1993). Elle rejoint l'ADEME à la sortie de ses études. Chef du service évaluation pendant 7 ans, elle devient déléguée régionale adjointe en Ile-de-France en 2000. Elle occupera ce poste durant 3 ans, jusqu'à sa nomination comme conseillère en développement durable auprès de Michèle Pappalardo, alors présidente de l'agence (2003-2006).
Avant d'être nommée à la direction de la communication et de la formation, elle était en charge du pilotage de l'action territoriale de l'ADEME sur la zone Nord et Est, en qualité de directrice de l'action régionale.