1982 yılında Amerikan bir baba ve İngiliz bir annenin çocuğu olarak Londra’da dünyaya geldi. Londra’da annesinin yanında büyüyen Hayley Atwell için en büyük hayal Oxfort Üniversitesinde eğitim almaktı. Bu gerçekleşmeyince iki yıl boyunca dünyayı gezdikten sonra oyunculuk eğitimi almaya başlamıştır. 2005 yılında küçük roller ile başladığı oyunculuğu Woody Allen’ın dikkatini çekmiş ve 200y yılında Cassandra’nın Rüyası filminde oynamıştır. Daha sonra Marvel yapımcılığında pek çok filmde oynama şansını yakalamıştır. Peggy Carter karakterini canlandıran oyuncu bu sayede Kaptan Amerika, Agents of Shield ve Ajan Carter gibi filmlerde oynamıştır. 2011 yılında oynamaya başladığı bu karakteri 2015 yılına kadar pek çok kez canlandırmıştır. Ayrıca 2015 yılında Cinderella filminde oynamıştır.