Hayley Elizabeth Atwell er født i London, England, og har dobbelt statsborgerskab i Storbritannien og USA. Hayley er enebarn og blev opkaldt efter skuespillerinden Hayley Mills. Hendes forældre, Alison (Cain) og Grant Atwell, begge motiverende talere, mødtes på en workshop i London om Dale Carnegies selvhjælpsbibel “How to Win Friends and Influence People” (Hvordan man vinder venner og påvirker folk). Hendes mor er englænder (med irske aner) og hendes far er amerikaner; han blev født i Kansas City, Missouri, og er delvis af indiansk afstamning (hans indianske navn er Star Touches Earth). Hendes forældre blev skilt, da hun var to år gammel. Hendes far vendte tilbage til USA, og Hayley blev hos sin mor i London, men hun tilbragte sine somre i Missouri med sin far. Hayleys mor så teater som en vigtig fælles oplevelse, så hun blev introduceret til teater fra en ung alder. Som 11-årig havde hun en mindeværdig tur for at se Ralph Fiennes spille Hamlet. Hun skulle senere arbejde sammen med ham i The Duchess (2008).
Hun gik på Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School i det vestlige London, hvor hun udmærkede sig akademisk. Hun tog sine A-niveauer på London Oratory School. Hun tog to år ud af sin uddannelse, hvor hun rejste med sin far og arbejdede for en castingdirektør. I 2005 blev hun færdiguddannet fra Guildhall School of Music and Drama med en grad i skuespil. Hayley begyndte sin karriere med roller i et par BBC-tv-produktioner. Hendes første store gennembrud kom i tv-miniserien The Line of Beauty (2006). Året efter fik hun sin første filmrolle i How About You (2007). Hun fulgte den op med Woody Allens Cassandra’s Dream (2007). Hendes gennembrudsrolle kom fire år senere som den britiske agent Peggy Carter i Captain America: The First Avenger (2011).