Родился в 1853 году в улусе Хара-Шибирь Хоринского ведомства (ныне Заиграевский район Бурятии). Был хувараком в Шулутском дацане.
В 1872 году в 19-летнем возрасте покинул Забайкалье и отправился паломником в Монголию и Тибет.
Учился в Урге (совр. Улан-Батор) и в знаменитом Гоман-дацане при монастыре Дрепунг (один из трёх главных монастырей Лхасы). Получил блестящее богословское образование, имел высшую философскую учёную степень лхарамба (цаннид кхенпо хларампа / цаннид хамба лһарамба).
Доржиев в числе семи высших учёных лам состоял при Далай-Ламе XIII, участвуя в его обучении буддийской философии и литературе. Положение цэншапа, партнёра по философскому диспуту — важнейшему компоненту буддийского образования — позволило Доржиеву позже стать одним из ближайших советников Далай-ламы и крупной фигурой в тибетском теократическом государстве.
В 1896 году Агван Доржиев получил от Николая II часы с монограммой в знак признательности за помощь агентам Петра Бадмаева, путешествовавшим в Лхасу.
В начале 1898 года Доржиев появился в Санкт-Петербурге с официальной целью сбора пожертвований на монастырскую школу. Здесь он познакомился с известным востокофилом Э. Э. Ухтомским, приближённым Николая II, ранее сопровождавшим будущего императора в путешествии на Восток. Ухтомский лично представил Агвана Доржиева императору.
В 1901 году Доржиев с помощью Буды Рабданова провел первое во Франции буддийское богослужение (хурал) и лекцию о буддизме в Музее востоковедения Гиме во время открытия Всемирной выставки. На богослужении присутствовали Жорж Клемансо, будущая путешественница в Тибет Александра Давид-Неэль, Иннокентий Анненский, впоследствии написавший об этом стихотворение «Буддийская месса в Париже», которые вошли в «Кипарисовый ларец». Гидом Агвана Доржиева по Парижу был другой русский поэт — Максимилиан Волошин.
По возвращении в Тибет был возведён в третий высший чин старшего кхенпо с правом голоса во всех вопросах политики и веры. В это время, будучи фактически первым министром двора Далай-ламы XIII, Доржиев всюду его сопровождал, служил молебны, заведовал финансами страны. С дипломатическими поручениями Доржиев бывал в Монголии, Китае, России, посетил Индию, Цейлон, Японию, Германию, Италию, Великобританию.
В 1900 состоялась встреча Агвана Доржиева с императором Николаем II, на которой было получено высочайшее согласие на строительство дацана в Санкт-Петербурге.
В 1906 году создал буддийское духовное училище и академию (цанид-чойра) в Калмыкии, передал им 300 томов тибетского канона (Ганджур и Данджур), а также ритуальные предметы. Помимо этого он основал несколько дацанов и школ в Калмыкии и Бурятии, открыл издательство в Санкт-Петербурге и в 1908 году типографию европейского образца в Шулутском дацане.
В Бурятии Доржиев известен как реформатор монгольского вертикального письма, приспособленного к бурятскому языку, составитель бурятского письма вагиндра (вагиндрагийн үсег, или Агвановский алфавит), точно передававшего транскрипцию русских слов; было в ходу с 1905 по 1910 годы.
В 1919 году храм в Петрограде подвергся разграблению красноармейцами: пропали сотни бронзовых и позолоченных бурханов, серебряные жертвенные чаши, вазы, мебель, дверные ручки, шпингалеты, драпировки из китайской парчи, личные вещи лам, разбита статуя Будды, сожжены уникальная библиотека тибетских манускриптов и огромный архив Агвана Доржиева, посвященный взаимоотношениям России, Тибета, Англии и Китая, собиравшийся на протяжении 30 лет. Доржиеву удалось реставрировать храм, несмотря на царившую в стране разруху.
Как и до революции, он находился в постоянном диалоге с властью. Теперь его собеседниками были не Николай II и министр иностранных дел Извольский, а Ленин с Луначарским. Но речь шла всё о том же: о свободе вероисповедания, культурном строительстве и их необходимости для процветания государства и его граждан. На этих встречах Дорджиев подчёркивал, что буддизм — не религия, а философия, что в нём присутствуют общие с коммунизмом идеи ответственности каждого за общее дело.
В 1921 году Доржиев составил на монгольском языке автобиографию, изложив её в стихотворной форме (рукописная копия хранится в Рукописном отделе Санкт-Петербургского филиала Института востоковедения РАН).
В 1929 году новым антирелигиозным законом запрещена деятельность буддийской церкви Забайкалья.
В 1935 году начались преследования буддийского духовенства в Ленинграде.
В 1937 году в результате арестов и расстрелов буддийская община при храме перестала существовать.
В ноябре 1937 года 85-летний Доржиев был арестован в Бурятии.
В 1938 Агван Доржиев скончался в тюремной больнице города Улан-Удэ. Место захоронения неизвестно.