Originaire du pays Bigouden et licenciée au Club Athlétique Bigouden pendant son adolescence, elle intègre l'INSA Rennes en 2019 pour ses études d'ingénieur en génie civil[1],[2].
En juillet 2023, elle participe pour la première fois à une compétition de la Ligue de diamant, à Monaco. Elle termine 12e de la course du mile et établit à cette occasion un nouveau record personnel sur la distance à 4’26’’92. Elle obtient également sa qualification pour les championnats du monde 2023[4],[5].
Le , elle établit un nouveau record de France du Mile en salle au meeting Golden Spike Ostrava. Arrivée 5e, et 1re européenne derrière 4 éthiopiennes, son temps est de 4’29’’02[7]. Le 10 février 2024, lors du meeting de Liévin, Agathe Guillemot termine 7e en 4 min 4 s 64 du 1 500 m remporté par l’Éthiopienne Freweyni Hailubat, mais elle bat le record de France du 1 500 m en salle, détenu par Hind Dehiba en 4 min 5 s 67 depuis mars 2006[8]. Elle se classe 7e des championnats du monde en salle à Glasgow.
Le au Meeting Stanislas de Nancy, elle améliore de plus d'une seconde son record personnel en 4 min 2 s 05 et réalise les minimas de qualification pour les Jeux olympiques de 2024[9]. Elle s'empare également du record de France du 2 000 mètres le lors du Meeting Herculis de Monaco, en 5 min 32 s 63[10].