Née à Londres, en Angleterre, Hayley Elizabeth Atwell a la double nationalité britannique et américaine. Enfant unique, Hayley porte le nom de l’actrice Hayley Mills. Ses parents, Alison (Cain) et Grant Atwell, tous deux conférenciers motivés, se sont rencontrés lors d’un atelier londonien de la bible d’auto-assistance de Dale Carnegie « Comment gagner des amis et influencer les gens ». Sa mère est anglaise (avec des ancêtres irlandais) et son père est américain ; il est né à Kansas City, dans le Missouri, et est en partie d’origine amérindienne (son nom amérindien est Star Touches Earth). Ses parents divorcent lorsqu’elle a deux ans. Son père est retourné en Amérique et Hayley est restée avec sa mère à Londres, mais elle passait ses étés dans le Missouri avec son père. La mère de Hayley considérait le théâtre comme une expérience communautaire importante, et elle a donc été initiée au théâtre dès son plus jeune âge. À 11 ans, elle a fait un voyage mémorable pour voir Ralph Fiennes jouer Hamlet. Elle travaillera plus tard avec lui sur The Duchess (2008).
Elle est allée à la Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School dans l’ouest de Londres où elle a excellé dans ses études. Elle a passé son baccalauréat à la London Oratory School. Elle a interrompu ses études pendant deux ans, voyageant avec son père et travaillant pour un directeur de casting. En 2005, elle a obtenu un diplôme d’actrice à la Guildhall School of Music and Drama. Hayley a commencé sa carrière en jouant dans quelques productions télévisées de la BBC. Sa première grande percée a lieu dans la mini-série télévisée The Line of Beauty (2006). L’année suivante, elle obtient son premier rôle au cinéma dans How About You (2007). Elle a ensuite joué dans Cassandra’s Dream de Woody Allen (2007). Quatre ans plus tard, elle incarne l’agent britannique Peggy Carter dans Captain America : Le premier vengeur (2011).