Agnelli studierte Rechtswissenschaft . Seit 1968 leitete er die internationalen Geschäfte des Fiat - Konzerns . 1970 bis 1976 war er Fiat-Vorstandschef. Ab 1980 führte er die Agnelli-Familienholding Instituto Finanziario Industriale (Ifi).
Im Februar 2003 übernahm Agnelli nach dem Tod seines Giovanni Agnelli die Präsidentschaft bei Fiat. Er bemühte um die Sanierung des angeschlagenen Automobilkonzerns und im Geschäftsjahr 2003 bereits ein besseres Unternehmensergebnis präsentieren.
Agnelli war auch politisch engagiert. 1976 wurde er für die Christdemokraten in italienischen Senat gewählt.