Télévision :
* Docteur Who (2010-2012) : Atwell a joué le rôle de "La femme du docteur" , un personnage avec un lien fascinant avec le Docteur. Elle était l'une des préférées des fans et sa performance a reçu de nombreux éloges.
* La Couronne (2016-2017) : Dans les deux premières saisons de cette série Netflix primée, Atwell a joué le rôle de la Princesse Margaret. , la sœur cadette de la reine. Elle a capturé la personnalité complexe et l’esprit rebelle de la princesse.
* La poursuite de l'amour (2021) : Atwell a joué le rôle de "Fanny Logan" dans cette adaptation par la BBC du roman classique de Nancy Mitford.
* Le Serpent (2021) : Elle a joué "Susannah , personnage central de cette mini-série sur le cas réel de Charles Sobhraj.
Cinéma :
* Captain America : Le premier vengeur (2011) : Atwell a joué "Peggy Carter" , l'intérêt amoureux de Steve Rogers et une figure clé des débuts du S.H.I.E.L.D. organisation. Ce fut un rôle marquant pour elle et elle reprit le personnage dans divers projets Marvel.
* Cloud Atlas (2012) : Atwell a joué un rôle de soutien dans cet ambitieux film de science-fiction, dans le rôle de "Nurse Noakes" dans l’un des récits entrelacés.
* L'histoire personnelle de David Copperfield (2019) : Elle est apparue dans cette adaptation du roman de Charles Dickens, dans le rôle de "Betsey Trotwood" .
* L'Homme du roi (2021) : Atwell a joué un rôle de soutien dans ce film d'action historique.
Cette liste met en évidence certains de ses projets les plus connus. Elle a participé à de nombreuses autres œuvres, notamment des productions théâtrales et des petits films.
Il convient de noter que la filmographie d'Atwell continue de croître et qu'elle continue d'assumer des rôles intéressants et diversifiés.