Films :
* Captain America :Le premier vengeur (2011) comme Peggy Carter
* Captain America :Le Soldat de l'Hiver (2014) comme Peggy Carter
* Avengers :L'Ère d'Ultron (2015) comme Peggy Carter
* Avengers :Fin de partie (2019) comme Peggy Carter
* La Duchesse (2008) dans le rôle de Lady Elizabeth Foster
* Brideshead revisité (2008) comme Julia Flyte
* La fin du monde (2013) en tant que Sam
* PLIÉ (2018) comme Anna
* L'homme qui a inventé Noël (2017) comme Catherine Dickens
* Christophe Robin (2018) comme Evelyn Robin
* Mission :Impossible - Fallout (2018) en tant qu'agent 11
* Rébecca (2020) en tant que Mme de Winter
* La vie électrique de Louis Wain (2021) en tant que Emily Richardson
* Niveau de patron (2021) en tant que colonel Carlsen
* Veuve noire (2021) en tant que Peggy Carter
Télévision :
* Les Aventures de Merlin (2008) dans le rôle de Lady Vivian
* Le prisonnier (2009) comme numéro 30
* contre-attaque (2010) en tant que sergent Rachel Dalton
* Les piliers de la Terre (2010) comme Aliena
* Agent Carter (2015-2016) dans le rôle de Peggy Carter
* Fin Howards (2017) comme Margaret Schlegel
* Condamnation (2016) comme Hayes Morrison
* La poursuite de l'amour (2021) en tant que Fanny Logan
* La femme dans la maison en face de la fille à la fenêtre (2022) en tant qu'Anna
* La Reine Serpent (2022) comme Catherine de Médicis
* Mission :Impossible - Dead Reckoning, première partie (2023) en tant qu'agent 11
Projets à venir :
* Mission :Impossible - Dead Reckoning, deuxième partie (2024) en tant qu'agent 11
* L'enterrement (2023) en tant que Carolyn
Cette liste n'est pas exhaustive et il existe d'autres projets auxquels Hayley Atwell a participé tout au long de sa carrière.