Nascida em Londres, Inglaterra, Hayley Elizabeth Atwell tem dupla cidadania no Reino Unido e nos Estados Unidos. Filha única, Hayley foi batizada em homenagem à atriz Hayley Mills. Seus pais, Alison (Cain) e Grant Atwell, ambos palestrantes motivacionais, se conheceram em um workshop em Londres sobre a bíblia de autoajuda de Dale Carnegie "Como fazer amigos e influenciar pessoas". Sua mãe é inglesa (com ascendência irlandesa) e seu pai é americano; ele nasceu em Kansas City, Missouri, e é parcialmente descendente de nativos americanos (seu nome nativo americano é Star Touches Earth). Seus pais se divorciaram quando ela tinha dois anos. Seu pai voltou para a América e Hayley permaneceu 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, por isso ela foi apresentada ao teatro desde muito jovem. Aos 11 anos, ela teve uma viagem memorável para ver Ralph Fiennes jogando Hamlet. Mais tarde, ela trabalharia com ele em The Duchess (2008).
Ela foi para a Escola Católica de Meninas Sion-Manning, no oeste de Londres, onde se destacou academicamente. Ela fez seus A-levels na London Oratory School. Ela tirou dois anos de sua educação, viajando com seu pai e trabalhando para um diretor de elenco. Em 2005, ela se formou na Guildhall School of Music and Drama em Atuação. Hayley começou sua carreira com participações em algumas produções para a televisão da BBC. Sua primeira grande chance veio na minissérie para a televisão, The Line of Beauty (2006). No ano seguinte, ela conseguiu seu primeiro papel no cinema em How About You (2007). Ela seguiu com Woody Allen's Cassandra's Dream (2007). Seu papel de destaque veio quatro anos depois como a agente britânica Peggy Carter em Captain America: The First Avenger (2011).
