Hayley Elizabeth Atwell är född i London, England, och har dubbelt medborgarskap i Storbritannien och USA. Hayley är enda barnet och är uppkallad efter skådespelerskan Hayley Mills. Hennes föräldrar, Alison (Cain) och Grant Atwell, båda motiverande talare, träffades vid en workshop i London om Dale Carnegies självhjälpsbibel ”How to Win Friends and Influence People”. Hennes mor är engelska (med irländska anor) och hennes far är amerikan; han föddes i Kansas City, Missouri, och är delvis av indiansk härkomst (hans indianska namn är Star Touches Earth). Hennes föräldrar skilde sig när hon var två år gammal. Hennes far återvände till Amerika och Hayley stannade hos sin mor i London, men hon tillbringade somrarna i Missouri med sin far. Hayleys mamma såg teater som en viktig gemensam upplevelse, så hon introducerades för teater redan i unga år. Vid 11 års ålder hade hon en minnesvärd resa för att se Ralph Fiennes spela Hamlet. Hon skulle senare arbeta med honom i The Duchess (2008).
Hon gick i Sion-Manning Roman Catholic Girl’s School i västra London där hon utmärkte sig akademiskt. Hon tog sin examen vid London Oratory School. Hon tog två år av sin utbildning, reste med sin far och arbetade för en casting director. År 2005 tog hon examen från Guildhall School of Music and Drama med en examen i skådespeleri. Hayley började sin karriär med roller i några BBC-tv-produktioner. Hennes första stora genombrott kom i tv-miniserien The Line of Beauty (2006). Året därpå fick hon sin första filmroll i How About You (2007). Hon följde upp detta med Woody Allens Cassandra’s Dream (2007). Hennes genombrottsroll kom fyra år senare som den brittiska agenten Peggy Carter i Captain America: The First Avenger (2011).