A kiváló énekesnő tanulmányait magánúton Révhegyi Ferencné irányításával végezte. Pályafutását 1952-ben a SZOT, majd a Magyar Rádió énekkarában kezdte. 1953–1955-ben a Magyar Rádió énekkarának, 1955-től 1957-ig a Honvéd Művészegyüttesének szólistája. A Magyar Állami Operaházban 1955-ben Mozart A varázsfuvola című operájában, az Éj királynője szerepében debütált. 1957-ben lett a Magyar Állami Operaház magánénekese, s hamarosan vezető koloratúrszopránja.

Alakításait virtuóz koloratúrtechnika és kitűnő színészi készség jellemzi. Hazai és külföldi produkciói után szuperlatívuszokban bővelkedő kritikákat kapott, hisz könnyedén, döbbenetes virtuozitással adta elő a technikai bravúrokat igénylő szólamokat. Repertoárját javarészt 18., és kora 19. századi operák tették ki. Több lemezfelvételt is készített.

Ágai karola a magyar operakultúra egyik legfényesebb csillaga volt; kivételes technikai képességekkel rendelkező drámai koloratúrszoprán. A Magyar Állami Operaház magánénekese és 1992-től örökös tagja volt, aki sikerrel szerepelt a világ nagy operaszínpadain is, a Wexford Operafesztiválon, a New York-i Metropolitanben éppúgy, mint a moszkvai Bolsojban, a bécsi Volksoperben vagy a hamburgi Operaházban.

Ágai Karola 2005-ben vehette át a II. kerület díszpolgára címet. Az oklevél indoklása szerint: „Elismeréssel az embernek, aki minden időben óriási önfegyelemről, kitartásról és hitről tett tanúbizonyságot; Elismeréssel a művésznek, aki számára „az ének varázsa semmi mással föl nem érő csoda”; aki hisz a zene csodatévő erejében, s aki képes a „dalnak lenge szárnyán” egy szebb világba repíteni a közönséget; aki a barokk kortól a XX. századig terjedő időszak dalirodalmának remekműveit férjével, Szendrey-Karper László gitárművésszel együtt sikerrel tolmácsolta itthon és a nagyvilágban. Hálával az embernek, a II. kerület iránti szeretetéért és hűségéért. ”