Agostini rozpoczął swoją przygodę od wyścigów górskich, zajmując drugie miejsce w debiucie w 1961 roku. Dwa lata później, w 1963 roku, zdobył swój pierwszy tytuł mistrza Włoch w tej klasie. Na fali tego sukcesu w tym samym roku wystąpił w jednym wyścigu w mistrzostwach świata w klasie 250 cm3 na słynnym torze Monza, a w 1964 roku był już zawodnikiem fabrycznego zespołu Moto Morini.

Pomimo zaledwie dwóch startów w klasie 250 cm3 w owym roku zrobił ogromne wrażenie na wszystkich obserwatorach, w efekcie czego na rok 1965 zakontraktował go zespół MV Augusta rywalizujący w klasach 350 cm3 i 500 cm3. W swoim pierwszym pełnym sezonie 22-latek wygrał cztery wyścigi i zajął drugie miejsce w obu klasach.

Pierwszy tytuł mistrza zdobył w następnym roku w klasie 500 cm3, gdzie jego nieposkromiona szybkość i regularność jazdy były zwiastunem wydarzeń w następnej dekadzie.

W tym samym roku wygrał swoje premierowe zawody Isle of Man TT w klasie 350 cm3.W 1967 roku ponownie zdobył mistrzostwo w klasie 500 cm3, natomiast w 1968 wszedł na nowy, nieznany dotąd poziom. W latach 1968–1970 „Ago” wygrał każde zawody Grand Prix w klasach 350 cm3 i 500 cm3, w którym uczestniczył, w tym m.in. sześć wyścigów Isle of Man TT.

Tymi osiągami przyćmił wszystkie dotychczasowe sławy sportów motocyklowych.Lata 1971 i 1972 przyniosły cztery kolejne tytuły, co oznacza, że wygrał wszystkie 11 ostatnich mistrzostw w klasach 350 cm3 i 500 cm3.

Nie udało mu się w 1973 roku w klasie 500 cm3, ale na osłodę pozostał mu 13. tytuł zdobyty w klasie 350 cm3. Po ośmiu latach startów motocyklami czterosuwowymi, w 1974 roku przeszedł do zespołu Yamaha i przesiadł się na maszynę dwusuwową, będąc pod wrażeniem postępów poczynionych przez nas w ostatnich latach.

Pierwszy wyścig Agostiniego w barwach Yamahy przypadł na Daytona 200, gdzie wygraliśmy dwie poprzednie edycje. Było to pierwsze podejście Włocha do słynnej amerykańskiej imprezy, a za rywali miał m.in. ówczesnego mistrza serii AMA i lokalnego faworyta, Kenny'ego Robertsa.

Na torze o długości 3,84 mili Agostini po raz pierwszy miał okazję wypróbować model TZ750 i w ogóle maszynę dwusuwową. Na tor Daytona International Speedway przybyło wielu fanów z Europy, a dzięki udziałowi Ago wydarzeniem zainteresowali się kibice i media z całego świata.

W początkowych etapach 200-milowego wyścigu objął prowadzenie, ale ogromne obciążenia fizyczne spowodowane owalnymi zakrętami i ciężką techniczną sekcją na płaskiej części toru doprowadziły do odwodnienia organizmu, zmuszając Ago do zrobienia przerwy w połowie dystansu.

Nie chcąc jednak rozczarować sympatyków, którzy przemierzyli za nim pół świata, Agostini pokonał ból i wygrał z przewagą ok. 25 sekund nad Robertsem, zdobywając dla Yamahy trzeci kolejny tytuł i wprowadzając wydarzenie na trwałe do światowego kalendarza.

W tym samym roku Agostini, reprezentując Yamahę, został mistrzem w klasie 350 cm3, wygrywając wszystkie wyścigi, w których brał udział, ale kontuzje i problemy techniczne nie pozwoliły mu zdobyć tytułu w klasie 500 cm3. Wrócił w 1975 roku i wywalczył swój ostatni, 15. tytuł, wygrywając klasę 500 cm3 na maszynie YZR500, którą wprowadziliśmy na rynek zaledwie dwa sezony wcześniej.

Po zakończeniu kariery w serii Grand Prix w 1977 roku Agostini przesiadł się na cztery kółka i spędził dwa sezony w Brytyjskiej Formule 1, zdobywając liczne miejsca na podium, po czym w 1982 roku dołączył do kierownictwa zespołu Yamaha. Pod jego opieką Eddie Lawson zdobył trzy tytułu mistrza świata, a Graeme Crosby, Roberts i Lawson zwyciężali w wyścigu Daytona 200.