Nata a Londra, Inghilterra, Hayley Elizabeth Atwell ha la doppia cittadinanza del Regno Unito e degli Stati Uniti. Figlia unica, Hayley ha preso il nome dall’attrice Hayley Mills. I suoi genitori, Alison (Cain) e Grant Atwell, entrambi oratori motivazionali, si sono incontrati a un workshop londinese della bibbia di auto-aiuto di Dale Carnegie “How to Win Friends and Influence People”. Sua madre è inglese (con ascendenze irlandesi) e suo padre è americano; è nato a Kansas City, Missouri, ed è in parte di discendenza nativa americana (il suo nome nativo americano è Star Touches Earth). I suoi genitori hanno divorziato quando lei aveva due anni. Suo padre tornò in America e Hayley rimase con sua madre a Londra, ma trascorse le sue estati nel Missouri con suo padre. La madre di Hayley vedeva il teatro come un’importante esperienza comune, così fu introdotta al teatro fin da piccola. All’età di 11 anni, ha fatto un viaggio memorabile per vedere Ralph Fiennes che interpretava Amleto. In seguito avrebbe lavorato con lui in The Duchess (2008).
Ha frequentato la Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School a West London, dove si è distinta accademicamente. Ha preso i suoi A-levels alla London Oratory School. Ha preso due anni di pausa dalla sua educazione, viaggiando con suo padre e lavorando per un direttore di casting. Nel 2005, si è laureata in recitazione alla Guildhall School of Music and Drama. Hayley ha iniziato la sua carriera con parti in alcune produzioni televisive della BBC. La sua prima grande occasione è arrivata nella miniserie televisiva The Line of Beauty (2006). L’anno successivo, ottiene il suo primo ruolo cinematografico in How About You (2007). L’ha seguito con Cassandra’s Dream (2007) di Woody Allen. Il suo ruolo di svolta è arrivato quattro anni dopo come agente britannico Peggy Carter in Captain America: Il primo vendicatore (2011).