Avec Valère Novarina, Agnès Sourdillon a traversé huit grands spectacles : La chair de l'homme (1995), Le jardin de reconnaissance (1997), L'origine rouge (1998), La scène (2003), L'acte inconnu (2007), Le vrai sang (2011), Le vivier des noms (2015), L'animal imaginaire (2019) et parcouru à pieds l'oeuvre de Madame Guyon. Depuis 2004, elle partage également une fidélité de travail avec le metteur en scène Charles Tordjman et les auteurs François Bon (Daewoo), Bernard Noël (Le retour de Sade et La langue d'Anna), Antoine Volodine (Slogans) et Ascanio Celestini (La Fabbrica). Elève d'Antoine Vitez et Bruno Sachel, elle a par ailleurs parcouru le répertoire classique et contemporain de Sophocle à Yves Pagès, notamment sous la direction de Bernard Sobel (Le roi Lear de Shakespeare), Stéphane Braunschweig (La trilogie des hommes de neige, Büchner/Horvath/Brecht , La cerisaie de Tchekhov, Ajax de Sophocle), Didier Bezace (L'école des femmes de Molière et Que la noce commence adapté du film roumain de Horatio Malaele), Patrice Chereau (Phèdre de Racine), Claudia Stavisky (Oncle Vania de Tchekhov), Jérôme Bel (Cour d'honneur), Matej Forman (Un beau matin, Aladin), Michel Didym (Le malade imaginaire de Molière), David Géry (Nu dans le bain qu'elle adapte d'une pièce de l'américaine Andrea Kuchlewska), Anne-laure Liégeois (Les Soldats/Lenz d'après Lenz et Büchner, Des châteaux qui brûlent d'après le roman d'Arno Bertina)... En 2019 et 2020 elle joue dans Un ennemi du peuple d'Ibsen mis en scène par Jean-François Sivadier (Théâtre de l'Odéon), dans L'animal imaginaire de Valère Novarina (Théâtre national de la Colline) et dans Penthésilée mis en scène et adapté pour 6 musiciens et une comédienne par Sylvain Maurice (Théâtre de Sartrouville)...