Duilio Agostini was de zoon van een welgestelde familie die eigenaar was van het restaurant Al Porto in Mandello del Lario, langs het Comomeer, waar ook de fabriek van Moto Guzzi stond. Onder de regelmatige gasten waren dan ook veel coureurs, zoals Omobono Tenni, Stanley Woods, Terzo Bandini, Primo Moretti en Ugo Prini.
Agostini reed zijn eerste race in Asola echter met een geleende Moto Guzzi Condor, de vooroorlogse voorganger van de Dondolino. Hij won die race en daardoor kwam zijn racecarrière op gang. Hij werd vierde in Lodi nadat hij de snelste ronde reed, en won vervolgens in Codogno en in Castano Primo.
Hoewel er in de eerste helft van het seizoen 1955 hard gewerkt werd aan de ontwikkeling van de spectaculaire Moto Guzzi V8, mocht Duilio Agostini een volledig 350cc-seizoen rijden. Hij won meteen de Grand Prix van Frankrijk voor zijn teamgenoten Dickie Dale en Roberto Colombo. Hij ging ook voor het eerst naar de TT van Man, waar hij in de Junior TT achtste werd. Dat was niet slecht voor iemand die nog nooit op de 60km-lange Snaefell Mountain Course had gereden. Hij leerde hier de Australische Margaret Ward kennen. Zij zou later zijn vrouw worden. Ze kregen twee dochters: Alis (geboren in 1957) en Lindy (geboren in 1962). In de overige 350cc-races viel hij steeds uit, waardoor hij in de WK-stand als zevende eindigde. In de 500cc-klasse kwam Moto Guzzi nauwelijks aan de start omdat de Quattro Cilindri niet presteerde en de Otto Cilindri nog niet klaar was. Tijdens de trainingen van de Grand Prix van België presenteerden teammanager Fergus Anderson en Duilio Agostini de nieuwe achtcilinder, maar Agostini reed de race waarschijnlijk met de viercilinder, waarmee hij vierde werd.
1956
Ook in het seizoen 1956 nam hij regelmatig aan WK-races deel, maar de Monocilindrica 350 was niet meer zo oppermachtig door de opkomst van de DKW RM 350 en de MV Agusta 350 4C. Agostini startte vier keer, maar scoorde geen punten.
1957
In 1957 reed hij alleen nog enkele Italiaanse races, maar in het WK kwam hij niet meer aan de start. Na dit jaar beëindigde hij zijn carrière, wellicht omdat hij getrouwd was en omdat dochter Alis geboren werd.
Hij werd Moto Guzzi-dealer in Mandello del Lario. Als Guzzi-dealer zette hij in de jaren zeventig een endurance-team op met de Moto Guzzi V7 Sport, waarvoor hij ook veel speciale onderdelen ontwikkelde die later als accessoires verkocht werden. Samen met een groep vrienden formeerde hij de Moto Club Carlo Guzzi, waarvan hij voorzitter werd. Deze club organiseert de tweejaarlijkse Moto Guzzi Rally in Mandello del Lario. In september 1989 organiseerde Duilio Agostini de rally voor het laatst.
In 1993 droeg hij zijn motorzaak over aan Alis, die al sinds 1981 manager was, aanvankelijk samen met haar zuster Lindy.
Op 12 april 2008 overleed Duilio Agostin na een ernstige ziekte.