Nacida en Londres, Inglaterra, Hayley Elizabeth Atwell tiene la doble nacionalidad del Reino Unido y de Estados Unidos. Hija única, Hayley recibió el nombre de la actriz Hayley Mills. Sus padres, Alison (Cain) y Grant Atwell, ambos conferenciantes motivacionales, se conocieron en un taller londinense de la biblia de autoayuda de Dale Carnegie «Cómo ganar amigos e influir en la gente». Su madre es inglesa (con ascendencia irlandesa) y su padre es estadounidense; nació en Kansas City, Missouri, y es en parte de ascendencia nativa americana (su nombre nativo americano es Star Touches Earth). Sus padres se divorciaron cuando ella tenía dos años. Su padre regresó a Estados Unidos y Hayley se quedó con su madre en Londres, pero pasaba los veranos en Missouri con su padre. La madre de Hayley consideraba que el teatro era una experiencia comunitaria importante, por lo que fue introducida en el teatro desde una edad temprana. A los 11 años, tuvo un viaje memorable para ver a Ralph Fiennes interpretando a Hamlet. Más tarde trabajaría con él en La duquesa (2008).
Fue a la escuela católica femenina Sion-Manning, en el oeste de Londres, donde destacó académicamente. Cursó sus estudios secundarios en el London Oratory School. Dejó de estudiar durante dos años para viajar con su padre y trabajar para un director de casting. En 2005 se licenció en interpretación en la Guildhall School of Music and Drama. Hayley comenzó su carrera con papeles en algunas producciones televisivas de la BBC. Su primera gran oportunidad llegó en la miniserie de televisión The Line of Beauty (2006). Al año siguiente, consiguió su primer papel en el cine en How About You (2007). Le siguió El sueño de Cassandra (2007), de Woody Allen. Su papel más importante llegó cuatro años después como la agente británica Peggy Carter en Capitán América: El primer vengador (2011).