Une part importante (de l'ordre de 50%) des élèves du département de mathématiques passe l'agrégation de mathématiques. C'est un concours qui exige une préparation assidue, en particulier pour obtenir un bon classement. En effet, le rang d'obtention du concours a une importance non négligeable pour les futures possibilités de carrière. Un bon rang et une thèse soutenue sont par exemple fortement recommandés pour obtenir un poste en classe préparatoire.

La préparation à l'agrégation de mathématiques (site ENS) s'adresse non seulement aux élèves de troisième année de l'ENS entrés au 1er concours ou au 2nd concours, mais également aux étudiants non normaliens recrutés sur dossier.

Le concours est constitué de 2 écrits (Mathématiques Générales ; Analyse et Probabilités) et de 3 oraux. Toutes les épreuves sont préparées, qu'elles soient écrites (cours et problèmes corrigés) ou orales (cours, préparation des leçons, oraux blancs).

La préparation s'effectue au sein du département à l'ENS de Paris-Saclay pour les épreuves écrites et les épreuves orales de mathématiques générales et d'analyse. Les trois options de modélisation (Probabilités et statistiques, calcul scientifique, calcul formel) sont préparées et mutualisées plus ou moins selon les options avec la préparation d'Orsay. Certains cours d'option ont donc lieu à Orsay. ATTENTION, depuis la session 2022, il n'y a plus d'option informatique au concours de l'agrégation de mathématiques.