Sie besuchte bis 1903 das Lehrerinnenseminar von Ida Klockow in Berlin-Charlottenburg und studierte ab 1908 als eine der ersten regulär immatrikulierten Studentinnen in Berlin Theologie, Germanistik und Anglistik. Da ihr in Berlin als Studentin die Prüfungszulassung verweigert wurde, promovierte sie 1912 an der Universität Greifswald. Anschließend unterrichtete sie u. a. deutsche und englische Sprache am Institut Wellmann, einer privaten höheren Mädchenschule, in Berlin-Charlottenburg. 1914 trat sie dem Nationalen Frauendienst bei. Ab 1916 betreute sie im Frauenreferat des Kriegsministeriums Frauen, die im Kriegseinsatz standen. 1919 heiratete sie den Juristen Karl Zahn. 1926 gründete sie den Deutschen Akademikerinnenbund mit, der universitäre Frauenbildung weiter fördern wollte. 1931–1933 war sie Vorsitzende des Bundes Deutscher Frauenvereine, der sich 1933 selbst auflöste. Sie schloß sich dem Kreis um Anna Gierke an, der enge Beziehungen zur Bekennenden Kirche hatte. Nach dem Zweiten Weltkrieg gründete Agnes Zahn-Harnack den Wilmersdorfer Frauenbund (später Berliner Frauenbund). Zu ihren Schriften zur Frauenbewegung gehören u. a. „Die Frauenbewegung. Geschichte, Probleme, Ziele“ (Berlin 1928) und die Bibliografie „Frauenfragen in Deutschland 1790–1930“ (mit Hans Sveistrup, Berlin 1934). 1949 erhielt sie für die 1936 veröffentlichte Biographie ihres Vaters, des Theologen Adolf von Harnack, die Ehrendoktorwürde der Theologischen Fakultät der Universität Marburg.