Urodzona w Londynie, w Anglii, Hayley Elizabeth Atwell ma podwójne obywatelstwo Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych. Jedynaczka, Hayley została nazwana na cześć aktorki Hayley Mills. Jej rodzice, Alison (Cain) i Grant Atwell, oboje mówcy motywacyjni, spotkali się na londyńskich warsztatach z biblii samopomocy Dale’a Carnegie „Jak zdobyć przyjaciół i wpływać na ludzi”. Jej matka jest Angielką (z irlandzkim rodowodem), a ojciec Amerykaninem; urodził się w Kansas City, Missouri, i jest częściowo rdzennym Amerykaninem (jego rdzennie amerykańskie imię to Star Touches Earth). Jej rodzice rozwiedli się, gdy miała dwa lata. Jej ojciec wrócił do Ameryki, a Hayley została z matką w Londynie, ale lata spędzała z ojcem w Missouri. Matka Hayley uważała teatr za ważne doświadczenie społeczne, więc była z nim zaznajamiana od najmłodszych lat. W wieku 11 lat odbyła niezapomnianą podróż, podczas której zobaczyła Ralpha Fiennesa grającego Hamleta. Później pracowała z nim w The Duchess (2008).
Chodziła do Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School w zachodnim Londynie, gdzie wyróżniała się pod względem akademickim. Ukończyła A-levels w London Oratory School. Dwa lata przerwy w edukacji poświęciła na podróżowanie z ojcem i pracę dla reżysera castingów. W 2005 roku ukończyła Guildhall School of Music and Drama na wydziale aktorstwa. Hayley rozpoczęła swoją karierę od ról w kilku produkcjach telewizji BBC. Jej pierwszy duży przebój nastąpił w miniserialu telewizyjnym, The Line of Beauty (2006). W następnym roku dostała swoją pierwszą rolę filmową w filmie How About You (2007). Następnie zagrała w filmie Woody’ego Allena Cassandra’s Dream (2007). Jej przełomowa rola przyszła cztery lata później jako brytyjska agentka Peggy Carter w filmie Kapitan Ameryka: The First Avenger (2011).