Hayley Elizabeth Atwell on syntynyt Lontoossa, Englannissa, ja hänellä on Yhdistyneen kuningaskunnan ja Yhdysvaltojen kaksoiskansalaisuus. Ainoa lapsi, Hayley sai nimensä näyttelijä Hayley Millsin mukaan. Hänen vanhempansa, Alison (Cain) ja Grant Atwell, molemmat motivaatiopuhujia, tapasivat Dale Carnegien ”How to Win Friends and Influence People” (Kuinka voittaa ystäviä ja vaikuttaa ihmisiin) -itseapukirjasta järjestetyssä työpajassa Lontoossa. Hänen äitinsä on englantilainen (jolla on irlantilaisia sukujuuria) ja isänsä amerikkalainen; hän on syntynyt Kansas Cityssä, Missourissa, ja hänellä on osittain alkuperäisamerikkalaista syntyperää (hänen alkuperäisamerikkalainen nimensä on Star Touches Earth). Hänen vanhempansa erosivat, kun hän oli kaksivuotias. Hänen isänsä palasi Amerikkaan, ja Hayley jäi äitinsä luo Lontooseen, mutta vietti kesät Missourissa isänsä kanssa. Hayleyn äiti piti teatteria tärkeänä yhteisöllisenä kokemuksena, joten hän tutustui teatteriin jo nuorena. Hänellä oli 11-vuotiaana ikimuistoinen matka katsomaan Ralph Fiennesin Hamlet-näytelmää. Myöhemmin hän työskenteli hänen kanssaan The Duchess -elokuvassa (2008).
Hän kävi Sion-Manningin roomalaiskatolista tyttökoulua Länsi-Lontoossa, jossa hän menestyi akateemisesti. Hän suoritti ylioppilastutkinnon London Oratory Schoolissa. Hän piti kaksi vuotta taukoa koulutuksestaan matkustaen isänsä kanssa ja työskennellen casting-ohjaajalle. Vuonna 2005 hän valmistui Guildhall School of Music and Drama -koulusta näyttelijäntyön tutkinnosta. Hayley aloitti uransa osilla muutamissa BBC:n televisiotuotannoissa. Hänen ensimmäinen suuri läpimurtonsa tuli television minisarjassa The Line of Beauty (2006). Seuraavana vuonna hän sai ensimmäisen elokuvaroolinsa elokuvassa How About You (2007). Sitä seurasi Woody Allenin Cassandra’s Dream (2007). Hänen läpimurtoroolinsa tuli neljä vuotta myöhemmin brittiagentti Peggy Carterina elokuvassa Captain America: The First Avenger (2011).