Η Αθηνά Κουστένη είναι Διευθύντρια Ερευνών στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας (CNRS) και το Αστεροσκοπείο της Μεντόν στο Παρίσι. Συνεργάζεται τόσο με τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA), όσο και με την αμερικανική NASA. Η ειδικότητά της είναι η πλανητολογία  και η έρευνα της είναι αφιερωμένη στις πλανητικές ατμόσφαιρες και επιφάνειες, με έμφαση στα παγωμένα φεγγάρια, όπως οι δορυφόροι του Κρόνου, Τιτάνας και Εγκέλαδος. 

Μετά το Λύκειο στην Γαλλική Σχολή Αθηνών μετέβη για σπουδές στο Παρίσι. Σπούδασε Φυσική και Αγγλική Λογοτεχνία συγχρόνως, στα Πανεπιστήμια VI και III αντίστοιχα. Στη συνέχεια ακολούθησε μεταπτυχιακά προγράμματα στην Αστροφυσική και την Αγγλική Λογοτεχνία από τα ίδια Πανεπιστήμια. Μετά από Διδακτορικό Δίπλωμα στην Αστροφυσική και Διαστημική Τεχνολογία από το Πανεπιστήμιο VII του Παρισιού και μεταδιδακτορικό, έλαβε μόνιμη θέση στο Γαλλικό Ιδρυμα Επιστημονικών Ερευνών με βάση το Αστεροσκοπείο των Παρισίων. Έχει επίσης λάβει το Δίπλωμα Διεύθυνσης Ερευνών.
Είναι Πρέδρος της Ευρωπαικής Επιτροπής Διαστημικών Επιστημών και στέλεχος πολλών Επιτροπών του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) και της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA). Υπήρξε Πρόεδρος της Διεθνούς Εταιρίας για την Ατμόσφαιρα και την Μετεωρολογία, Πρόεδρος του Τομέα Πλανητών της Ευρωπαϊκής Γεωφυσικής Ένωσης και εφ’ όρου ζωής μέλος της Αεροπορικής Ακαδημίας της Ελλάδος (Α.ΑΚ.Ε.). Είναι μέλος της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας, διοικητικό στέλεχος της Διεθνούς Ένώσεως Γεωφυσικών, της Γαλλικής Ένωσης Αστρονομίας, της Διεθνούς Αστρονομικής Ένωσης και της Αμερικανικής Γεωφυσικής Ένωσης.

Συμμετέχει σε τρέχουσες διαστημικές αποστολές της ESA και της NASA, όπως η αποστολή Cassini-Huygens, καθώς και στην προετοιμασία των μελλοντικών διαστημικών αποστολών στον Δία (JUICE), και μελέτες για επιστοφή στον Κρόνο.

Έχει βραβευθεί πολλάκις τόσο από την NASA όσο και από την ESA. Το 2012 της απενεμήθη το Prix pour la réussite au Feminin. Πιό πρόσφατα βραβεύθηκε από την Αμερικανική Αστρονομική Εταιρεία με το «Βραβείο Χάρολντ Μαζούρσκι» για την ξεχωριστή συμβολή της στην πλανητική επιστήμη και εξερεύνηση. Όπως αναφέρεται στο σκεπτικό της βράβευσης, η Αθηνά Κουστένη, που έχει ενεργό εμπλοκή στην αποστολή «Cassini-Huygens» σε Τιτάνα και Κρόνο, «έχει μία εντυπωσιακή επιστημονική ερευνητική καριέρα και έχει κάνει μείζονες συνεισφορές στην πλανητική επιστήμη». Το βραβείο απενεμήθη τον Νοέμβριο του 2014, σε εκδήλωση στο Τούκσον της Αριζόνα.

Είναι παντρεμένη με τον Franck Darin και έχει μια κόρη, την Καλλίστα.