Freema Agyeman wurde 1979 in London als Tochter einer iranischen Mutter und eines ghanaischen Vaters geboren. Sie hat einen jüngeren Bruder und eine ältere Schwester. 1996 hat sie die Anna Scher Theatre School in Islington besucht, später nahm sie auch Theaterkurse an der amerikanischen Radford University in Virginia und schloss ihr Studium im Jahr 2000 an der Middlesex University mit einem Bachelor in Aufführenden Künsten und Drama ab.
Ihren Durchbruch als Schauspielerin feierte sie 2003 in der Soap Opera Crossroads. Später hatte sie Gastrollen in Casualty, Mile High und The Bill. Um sich zwischen ihren Rollen finanzieren zu können, arbeitete Agyeman eine zeitlang als Angestellte in einer Blockbuster-Videothek.
2006 spielte sie eine Nebenrolle in „Army of Ghosts“ aus der zweiten Staffel von Doctor Who. Die Produzenten waren dabei so sehr von ihrer Ausstrahlung und ihrem Charisma beeindruckt, dass sie sie als die neue Begleiterin des Doktors, die Medizinstudentin Martha Jones, für die dritte Staffel der Serie verpflichtet haben. Zum Vorsprechen wurde Agyeman unter dem Vorwand eingeladen, eine Rolle im Doctor-Who-Spinoff Torchwood übernehmen zu können. Dort spielte sie dann auch tatsächlich während der zweiten Staffel für drei Folgen mit.
Freema Agyeman, die sich selbst als Kino- und Serienjunkie bezeichnet, ist vorher - anders als ihr Kollege David Tennant - nie ein großer Doctor-Who-Fan gewesen, hat ansonsten aber sehr viel für Science Fiction übrig: Als begeisterter Trekkie, der mit Star Trek: The Next Generation und Star Trek: Deep Space Nine aufgewachsen ist, hat sie sogar Conventions besucht. Daneben gehört ihr Herz aber auch Sliders, Stargate SG-1 und aktuell Heroes. Ferner ist sie auch ein Fan von Desperate Housewives, America's Next Top Model, Hustle und The Simpsons.
2009-2011 gehörte sie zum Cast von Law & Order: UK. 2013-2014 ist sie als Carries (AnnaSophia Robb) Mentorin im Sex and the City-Prequel The Carrie Diaries zu sehen.
Zwischen 2015 und 2018 ist sie in der Netflix-Serie Sense8 mit von der Partie. Im Jahre 2018 übernimmt sie eine Hauptrolle als Freema Agyeman als Dr. Helen Sharpe in der Serie New Amsterdam (2018).