Nascida em Londres, Inglaterra, Hayley Elizabeth Atwell tem dupla cidadania do Reino Unido e dos Estados Unidos. Filha única, Hayley recebeu o nome da atriz Hayley Mills. Seus pais, Alison (Cain) e Grant Atwell, ambos palestrantes motivacionais, se conheceram em um workshop em Londres da bíblia de auto-ajuda de Dale Carnegie “How to Win Friends and Influence People”. Sua mãe é inglesa (com ascendência irlandesa) e seu pai é americano; ele nasceu em Kansas City, Missouri, e é parcialmente de ascendência indígena americana (seu nome indígena americano é Star Touches Earth). Seus pais divorciaram-se quando ela tinha dois anos de idade. Seu pai voltou para a América e Hayley ficou com sua mãe em Londres, mas ela passou os verões no Missouri com seu pai. A mãe de Hayley viu o teatro como uma importante experiência comunitária, então ela foi apresentada ao teatro desde tenra idade. Aos 11 anos, ela teve uma viagem memorável para ver Ralph Fiennes interpretando Hamlet. Mais tarde ela trabalharia com ele no The Duchess (2008).
Ela foi para a Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School em Londres Ocidental onde ela se destacou academicamente. Ela tirou o seu A-levels na London Oratory School. Ela tirou dois anos dos seus estudos, viajando com seu pai e trabalhando para um diretor de casting. Em 2005, ela se formou na Guildhall School of Music and Drama com uma licenciatura em Acting. Hayley começou sua carreira com peças em algumas produções televisivas da BBC. Sua primeira grande chance veio na minissérie de televisão, The Line of Beauty (2006). No ano seguinte, ela conseguiu seu primeiro papel no filme How About You (2007). Ela seguiu com Cassandra Sonho de Woody Allen (2007). Seu papel de revelação veio quatro anos depois como agente britânica Peggy Carter no Captain America: A Primeira Vingadora (2011).