Hayley Elizabeth Atwell urodziła się 5 kwietnia 1982 roku w Londynie (Anglia, Wielka Brytania). Jej matka jest mówcą motywacyjnym, zaś ojciec, z pochodzenia Amerykanin, masażystą, fotografem i szamanem. Naukę pobierała w London Oratory School, a także Guildhall School of Music and Drama, którą ukończyła w 2005 roku. Na dużym ekranie zadebiutowała dwa lata później rolą Angeli Stark w filmie "Sen Kasandry". Następnie zagrała w produkcjach "Powrót do Brideshead" oraz "Księżna", za rolę w której otrzymała nominację do BIFA dla najlepszej aktorki drugoplanowej. Kolejnym przełomowym rokiem w karierze Atwell był rok 2011, w którym wcieliła się w postać Alieny w miniserialu "Filary Ziemi". Rola ta dała jej nominację do Złotego Globu w kategorii "najlepsza aktorka w miniserialu lub filmie telewizyjnym". Jednak prawdziwą popularność przyniosła aktorce postać agentki Margaret "Peggy" Carter w filmowym uniwersum Marvela. Po raz pierwszy rolę tę zagrała w filmie "Captain America: Pierwsze starcie", a następnie powróciła do niej w produkcjach "Kapitan Ameryka: Zimowy żołnierz", "Avengers: Czas Ultrona" i "Ant-Man", krótkometrażówce "Marvel: Agent Carter", a także w serialach "Agenci T.A.R.C.Z.Y." oraz "Agentka Carter". W roku 2017 Atwell wcieliła się w postać Margaret Schlegel w miniserialu "Howards End", zaś rok później zagrała Evelyn Robin w filmie "Krzysiu, gdzie jesteś?". Aktorka, poza obywatelstwem brytyjskim, posiada także obywatelstwo amerykańskie.