W 1503 roku zyskał sławę dzięki zrealizowaniu Palazzo Taddei, zaś w 1506 roku powierzono mu dokończenie tamburu kopuły katedry florenckiej; prac w katedrze nigdy jednak nie zakończył wobec krytyki Michała Anioła, który nazwał konstrukcję zaproponowaną przez d’Agnolo klatką na świerszcze.
Zrealizował kościół San Giuseppe, Villę Borgherini oraz Palazzo Bartolini-Torrigiani. Pałac Bartolini był pierwszym pałacem, który posiadał na fasadzie głównej kolumny obramiające okna i drzwi, co wcześniej było ograniczone do budownictwa sakralnego; to istotne novum było przez mieszkańców Florencji wyśmiewane za swoją innowacyjność. Do innych dzieł architekta należą także dzwonnica kościoła Santo Spirito, kościół San Giuseppe i Palazzo Agostino della Seta.
Z pracowni d’Agnolo wyszli Michał Anioł, Andrea Sansovino, bracia Antonio da Sangallo (starszy) i Giuliano da Sangallo oraz młody Rafael. Zmarł we Florencji w 1543 roku.