Născută în Londra, Anglia, Hayley Elizabeth Atwell are dublă cetățenie, a Regatului Unit și a Statelor Unite. Copil unic, Hayley a fost botezată după numele actriței Hayley Mills. Părinții ei, Alison (Cain) și Grant Atwell, ambii vorbitori motivaționali, s-au cunoscut la un atelier londonez al bibliei de autoajutorare a lui Dale Carnegie „Cum să câștigi prieteni și să influențezi oamenii”. Mama ei este englezoaică (cu strămoși irlandezi), iar tatăl ei este american; el s-a născut în Kansas City, Missouri, și este parțial de origine amerindiană (numele său amerindian este Star Touches Earth). Părinții ei au divorțat când ea avea doi ani. Tatăl ei s-a întors în America, iar Hayley a rămas cu mama ei la Londra, dar și-a petrecut verile în Missouri cu tatăl ei. Mama lui Hayley vedea teatrul ca pe o experiență comună importantă, așa că Hayley a fost introdusă în teatru de la o vârstă fragedă. La vârsta de 11 ani, a avut parte de o excursie memorabilă pentru a-l vedea pe Ralph Fiennes jucând Hamlet. Avea să lucreze mai târziu cu el în filmul The Duchess (2008).
A mers la Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School din vestul Londrei, unde a excelat din punct de vedere academic. Și-a luat bacalaureatul la London Oratory School. Și-a luat doi ani de pauză de la studii, călătorind cu tatăl ei și lucrând pentru un director de casting. În 2005, a absolvit Guildhall School of Music and Drama cu o diplomă în actorie. Hayley și-a început cariera cu roluri în câteva producții de televiziune ale BBC. Prima ei mare șansă a venit în miniseria de televiziune, The Line of Beauty (2006). În anul următor, a obținut primul ei rol în film, în How About You (2007). A urmat filmul Cassandra’s Dream (2007) al lui Woody Allen. Rolul ei decisiv a venit patru ani mai târziu, în rolul agentului britanic Peggy Carter din Captain America: The First Avenger (2011).