Film:
* Captain America:Il primo vendicatore (2011) nel ruolo di Peggy Carter
* Captain America:Il Soldato d'Inverno (2014) nel ruolo di Peggy Carter
* Avengers:L'era di Ultron (2015) nel ruolo di Peggy Carter
* Avengers:Fine del gioco (2019) nel ruolo di Peggy Carter
* La Duchessa (2008) nel ruolo di Lady Elizabeth Foster
* Brideshead rivisitato (2008) nel ruolo di Julia Flyte
* La fine del mondo (2013) nel ruolo di Sam
* PIEGATO (2018) come Anna
* L'uomo che inventò il Natale (2017) nel ruolo di Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) nel ruolo di Evelyn Robin
* Missione:Impossibile - Fallout (2018) come Agente 11
* Rebecca (2020) nel ruolo della signora de Winter
* La vita elettrica di Louis Wain (2021) nel ruolo di Emily Richardson
* Livello boss (2021) nel ruolo del colonnello Carlsen
* Vedova Nera (2021) nel ruolo di Peggy Carter
Televisione:
* Le avventure di Merlino (2008) nel ruolo di Lady Vivian
* Il prigioniero (2009) come numero 30
* Contrattacca (2010) nel ruolo del sergente Rachel Dalton
* I pilastri della Terra (2010) come Aliena
* Agente Carter (2015-2016) nel ruolo di Peggy Carter
* Fine Howard (2017) nel ruolo di Margaret Schlegel
* Condanna (2016) nel ruolo di Hayes Morrison
* La ricerca dell'amore (2021) nel ruolo di Fanny Logan
* La donna nella casa di fronte alla ragazza alla finestra (2022) come Anna
* La regina serpente (2022) nel ruolo di Caterina de' Medici
* Mission:Impossible - Dead Reckoning, prima parte (2023) come Agente 11
Prossimi progetti:
* Mission:Impossible - Dead Reckoning, parte seconda (2024) come Agente 11
* La sepoltura (2023) come Carolyn
Questo elenco non è esaustivo e ci sono altri progetti a cui Hayley Atwell ha partecipato nel corso della sua carriera.