Hayley Elizabeth Atwell wurde in London, England, geboren und besitzt die doppelte Staatsbürgerschaft des Vereinigten Königreichs und der Vereinigten Staaten. Hayley ist ein Einzelkind und wurde nach der Schauspielerin Hayley Mills benannt. Ihre Eltern, Alison (Cain) und Grant Atwell, beide Motivationsredner, lernten sich bei einem Londoner Workshop zu Dale Carnegies Selbsthilfebibel „How to Win Friends and Influence People“ kennen. Ihre Mutter ist Engländerin (mit irischen Vorfahren) und ihr Vater ist Amerikaner; er wurde in Kansas City, Missouri, geboren und ist teilweise indianischer Abstammung (sein indianischer Name ist Star Touches Earth). Ihre Eltern ließen sich scheiden, als sie zwei Jahre alt war. Ihr Vater kehrte nach Amerika zurück und Hayley blieb mit ihrer Mutter in London, verbrachte aber die Sommer mit ihrem Vater in Missouri. Für Hayleys Mutter war das Theater eine wichtige Gemeinschaftserfahrung, und so wurde sie schon in jungen Jahren an das Theater herangeführt. Im Alter von 11 Jahren erlebte sie einen denkwürdigen Ausflug zu Ralph Fiennes, der Hamlet spielte. Später arbeitete sie mit ihm bei The Duchess (2008) zusammen.
Sie besuchte die Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School in West London, wo sie akademisch herausragte. Ihr Abitur machte sie an der London Oratory School. Sie unterbrach ihre Ausbildung für zwei Jahre, um mit ihrem Vater zu reisen und für einen Casting-Regisseur zu arbeiten. Im Jahr 2005 schloss sie ihr Studium an der Guildhall School of Music and Drama mit einem Abschluss in Schauspielerei ab. Hayley begann ihre Karriere mit Rollen in einigen BBC-Fernsehproduktionen. Ihren ersten großen Durchbruch hatte sie in der Fernseh-Miniserie The Line of Beauty (2006). Im folgenden Jahr erhielt sie ihre erste Filmrolle in How About You (2007). Danach spielte sie in Woody Allens Cassandra’s Dream (2007). Den Durchbruch schaffte sie vier Jahre später als britische Agentin Peggy Carter in Captain America: The First Avenger (2011).