Hayley Elizabeth Atwell lahir di London, Inggris, dan memegang kewarganegaraan Inggris serta Amerika Serikat. Sebagai anak tunggal, dia diberi nama sesuai aktris legendaris Hayley Mills. Orang tuanya, Alison dan Grant Atwell, adalah pembicara motivasi yang bertemu di workshop Dale Carnegie. Ibunya berkebangsaan Inggris dengan keturunan Irlandia, sedangkan ayahnya berasal dari Kansas City, Missouri, dan memiliki garis keturunan Native-American.

Orangtua Hayley bercerai saat dia berusia dua tahun. Sang ayah kembali ke Amerika, sementara Hayley tinggal bersama ibunya di London dan menghabiskan musim panas di Missouri bersama ayahnya. Sejak kecil, Hayley dikenalkan teater oleh ibunya yang memandangnya sebagai pengalaman penting secara sosial dan komunitas.

Pada usia 11 tahun, dia melakukan perjalanan untuk menyaksikan Ralph Fiennes bermain Hamlet, pengalaman yang menyentuhnya. Ia lalu menempuh pendidikan di Sion-Manning Roman Catholic Girls' School dan London Oratory School, mendapatkan A-levels. Setelah itu, ia mengambil waktu dua tahun untuk travelling dan bekerja di bidang casting.

Hayley lulus dari Guildhall School of Music and Drama tahun 2005 dengan gelar di bidang Akting. Ia memulai karier di dunia hiburan melalui beberapa produksi televisi BBC dan mendapatkan peran besar pertama di serial mini The Line of Beauty pada 2006. Tahun berikutnya, ia tampil di film pertamanya dan akhirnya meraih ketenaran global saat berperan sebagai Peggy Carter di Captain America: The First Avenger tahun 2011.