ولدت هايلي إليزابيث أتويل في لندن بإنجلترا، وهي تحمل جنسية مزدوجة من المملكة المتحدة والولايات المتحدة. الطفلة الوحيدة، سُميت هايلي على اسم الممثلة هايلي ميلز. التقى والداها، أليسون (كاين) وجرانت أتويل، وكلاهما من المتحدثين التحفيزيين، في ورشة عمل في لندن لكتاب ديل كارنيجي للمساعدة الذاتية "كيف تكسب الأصدقاء وتؤثر في الناس". والدتها إنجليزية (من أصل أيرلندي) ووالدها أمريكي. ولد في كانساس سيتي بولاية ميسوري، وهو جزئيًا من أصل أمريكي أصلي (اسمه الأمريكي الأصلي هو Star Touches Earth). انفصل والداها عندما كانت في الثانية من عمرها. عاد والدها إلى أمريكا وبقيت هايلي مع والدتها في لندن، لكنها أمضت الصيف في ميسوري مع والدها. رأت والدة هايلي أن المسرح تجربة مجتمعية مهمة، لذا تعرفت على المسرح منذ صغرها. في سن الحادية عشرة، قامت برحلة لا تُنسى لرؤية رالف فينيس وهو يلعب دور هاملت. ستعمل معه لاحقًا في فيلم The Duchess (2008).التحقت بمدرسة سيون مانينغ الرومانية الكاثوليكية للبنات في غرب لندن حيث تفوقت أكاديميًا. حصلت على المستوى A في مدرسة لندن الخطابية. أخذت عامين من تعليمها، وسافرت مع والدها وعملت لدى مدير اختيار الممثلين. في عام 2005، تخرجت من مدرسة جيلدهول للموسيقى والدراما بدرجة في التمثيل. بدأت هايلي حياتها المهنية بأجزاء في عدد قليل من إنتاجات تلفزيون بي بي سي. أول استراحة كبيرة لها جاءت في المسلسل التلفزيوني The Line of Beauty (2006). في العام التالي، حصلت على أول دور سينمائي لها في فيلم How About You (2007). تابعت هذا مع وودي آلن حلم كاساندرا (2007). جاء دورها المذهل بعد أربع سنوات كعميل بريطاني بيجي كارتر في كابتن أمريكا: المنتقم الأول (2011).