Родился в городе Нижнем Новгороде в семье архитектора Нижегородской городской управы.

Брат Агафонова Игоря Леонидовича. Племянник Агафонова Фёдора Дмитриевича.

Окончил архитектурный факультет Ленинградского института инженеров коммунального строительства (1932) и архитектурный факультет Ленинградского института живописи, скульптуры и архитектуры им. И.Е.Репина (1936). 

Член Союза архитекторов СССР (1938).

С 1937 по 1943 год работал в архитектурно-планировочном управлении города Горького. Занимался маскировкой военных и гражданских объектов, в послевоенные годы трудился над проектом восстановления разрушенного Смоленска.

С 1946 по 1949 год - руководитель научной экспедиции Академии по изучению памятников народного зодчества Костромской области.

С 1949 по 1957 год работал в городе Москве в различных архитектурных институтах.

С 1957 по 1965 год - главный архитектор Горьковской специальной научно-производственной мастерской. 

С 1965 по 1999 год - профессор Горьковского инженерно-строительного института им. В.П.Чкалова (ныне Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет).

С 1967 по 1978 год руководил экспедициями по изучению деревянного и каменного зодчества Архангельской и Вологодской областей, координировал реставрацию целого ряда архитектурных памятников города Нижнего Новгорода и области, выступал консультантом при восстановлении крепостей в Старой Ладоге, Орешке, Пскове, Смоленске. Руководил работами по реставрации Нижегородского кремля, Архангельского собора, Рождественского Строгановского храма, палат Макарьевского и Печерского монастырей.

Автор книг по истории архитектуры Нижегородского края: «Горький-Нижний Новгород» (1947), «Горький, Балахна, Макарьев» (1969 и 1987), «Нижегородский кремль» (1976), «Пушкинская усадьба в Болдине» (1987), «История архитектуры Нижнего Новгорода» (1992-1995).

Заслуженный архитектор РСФСР (27.06.1984).

Почётный гражданин города Нижнего Новгорода (21.04.1993).

Лауреат Государственной премии РСФСР (1989) - за проектирование и реставрацию крепостного ансамбля Нижегородского кремля, архитектурного памятника XIII-XVII веков.

Лауреат премии города Нижнего Новгорода (2009, посмертно).

Жил в городе Нижнем Новгороде, похоронен на Бугровском кладбище.

Память: на Дмитриевской башне Нижегородского Кремля установлена памятная доска.