W 1444 r. została oficjalną kochanką króla Francji. Karol VII był pierwszym francuskim monarchą, który zdecydował się na taki krok. Agnès urodziła władcy cztery córki, z których jedna zmarła w wieku niemowlęcym. W 1450 r. podczas toczącej się wojny z Anglią odwiedziła Karola w obozie wojskowym w Jumièges w Normandii. Była wówczas w ciąży z najmłodszym dzieckiem. Wkrótce po urodzeniu ostatniej córki Agnès poważnie zachorowała. Jej dolegliwości opisywano jako rozwolnienie. Krążyły jednak pogłoski, że została otruta. Zmarła 9 lutego 1450 r. około 6 po południu na zamku Anneville-sur-Seine. Jej zwłoki, z wyjątkiem serca, złożono w kościele Saint-Ours w Loches.
Podejrzenia o zamordowanie Agnès Sorel padły na syna Karola VII późniejszego króla Ludwika XI. W 2004 r. otwarto jej grób. Szczątki zbadał patolog Philippe Charlier, którzy stwierdził, że zmarła ona w wyniku zatrucia rtęcią. Nie oznacza to jednak potwierdzenia tezy o morderstwie. Wiadomo, że Agnès podczas ciąży cierpiała z powodu pasożytów. Schorzenie to leczono wówczas rtęcią. W takim wypadku łatwo jest o przedawkowanie.
Na podstawie znalezionej w grobie czaszki udało się zrekonstruować wygląd Agnès. 2 kwietnia 2005 r. w obecności francuskiej arystokracji odbył się jej ponowny pogrzeb.