Atwell meraih ketenaran internasional melalui perannya sebagai Peggy Carter dalam Marvel Cinematic Universe, dimulai dari film pahlawan super Captain America: The First Avenger (2011) dan kemudian mendapatkan seri berjudul Agent Carter (2015–2016). Ia juga berakting dalam film drama perang Testament of Youth (2014), film fantasi Cinderella (2015) dan Christopher Robin (2018), serta memiliki peran utama dalam film aksi Mission: Impossible – Dead Reckoning Part One (2023).
Di panggung teater, Atwell telah menerima nominasi Laurence Olivier Award untuk Aktris Pendukung Terbaik atas perannya dalam A View from the Bridge (2010), dan untuk Aktris Terbaik atas penampilannya dalam The Pride (2013) dan Rosmersholm (2020). Pada tahun 2020, Atwell mulai menjadi pembawa acara dalam seri podcast True Spies.
Hayley Atwell lahir pada tanggal 5 April 1982 di London sebagai anak tunggal dari orang tuanya. Ibunya, Allison Cain, adalah orang Inggris dan ayahnya, Grant Atwell, adalah seorang fotografer Amerika dari Kansas City, Missouri, keturunan Irlandia dan sebagian keturunan Asli Amerika. Atwell memiliki kewarganegaraan ganda Inggris dan Amerika Serikat. Setelah mengenyam pendidikan di Sion-Manning Roman Catholic Girls' School di London, ia mengambil A-Level di London Oratory School. Atwell mengambil dua tahun cuti untuk melakukan perjalanan dengan ayahnya dan bekerja untuk seorang sutradara casting. Kemudian, ia mendaftar di Guildhall School of Music and Drama, di mana ia menjalani pelatihan selama tiga tahun dan lulus pada tahun 2005 dengan gelar Bachelor of Arts dalam bidang akting.
Karir profesional Hayley Atwell dimulai pada tahun 2005, ketika ia memerankan Io, seorang gadis pengasingan oleh Zeus, dalam Prometheus Bound di Sound Theatre London. Penampilannya mendapatkan pujian dari British Theatre Guide, yang menulis bahwa Atwell "membuat kita merespons penderitaan tanpa sekalipun memancing tawa dengan tangan terluka". Pada tahun berikutnya, ia membintangi Women Beware Women di Royal Shakespeare Company sebagai istri protagonis, Bianca. The Guardian memuji Atwell karena mampu memancarkan "kecantikan yang menggoda dengan tepat". Atwell kemudian tampil dalam dua produksi di Royal National Theatre yang disutradarai oleh Nicholas Hytner. Ia memerankan Belinda, seorang pekerja PR di SoHo dan salah satu dari tiga objek cinta, dalam Man of Mode. Atwell juga membintangi Major Barbara yang membuatnya mendapatkan Ian Charleson Commendation. Pada tahun 2009, Atwell membuat debut di West End sebagai Catherine, keponakan angkat dalam keluarga yang bermasalah, dalam A View From the Bridge karya Lindsay Posner. Variety memuji Atwell karena memiliki "kesegaran yang ideal" dan kegirangan anak perempuan yang masih mampu berubah menjadi kemarahan yang tak terkendali; penampilannya kemudian dinominasikan untuk Olivier Award.
Peran televisi utama pertama Atwell datang pada tahun 2006 dengan miniseri BBC Two, The Line of Beauty. Pada tahun yang sama, Atwell tampil sebagai '415' dalam miniseri November 2009 berjudul The Prisoner yang diproduksi oleh AMC Television, sebuah remake dari seri dengan nama yang sama yang tayang pada tahun 1967-1968. Pada tahun 2010, Atwell muncul dalam adaptasi Channel 4 dari karya William Boyd berjudul Any Human Heart, dan pada akhir tahun itu, ia membintangi miniseri Ken Follett berjudul Pillars of the Earth, di mana ia beradu akting dengan Eddie Redmayne; untuk perannya ini, ia dinominasikan untuk Golden Globe. Pada tahun 2013, Atwell membintangi adaptasi novel mata-mata karya William Boyd dalam miniseri BBC Two berjudul Restless, sebelum tampil dalam episode "Be Right Back" dalam seri fiksi ilmiah yang sangat diakui kritikus, Black Mirror karya Charlie Brooker.