Filme:
* Captain America:Der erste Rächer (2011) als Peggy Carter
* Captain America:Der Wintersoldat (2014) als Peggy Carter
* Avengers:Age of Ultron (2015) als Peggy Carter
* Avengers:Endgame (2019) als Peggy Carter
* Die Herzogin (2008) als Lady Elizabeth Foster
* Brideshead erneut besucht (2008) als Julia Flyte
* Das Ende der Welt (2013) als Sam
* VERBOGEN (2018) als Anna
* Der Mann, der Weihnachten erfand (2017) als Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) als Evelyn Robin
* Mission:Impossible – Fallout (2018) als Agent 11
* Rebecca (2020) als Frau de Winter
* Das elektrische Leben von Louis Wain (2021) als Emily Richardson
* Boss-Level (2021) als Colonel Carlsen
* Schwarze Witwe (2021) als Peggy Carter
Fernsehen:
* Die Abenteuer von Merlin (2008) als Lady Vivian
* Der Gefangene (2009) als Nummer 30
* Zurückschlagen (2010) als Sergeant Rachel Dalton
* Die Säulen der Erde (2010) als Aliena
* Agent Carter (2015–2016) als Peggy Carter
* Howards End (2017) als Margaret Schlegel
* Überzeugung (2016) als Hayes Morrison
* Das Streben nach Liebe (2021) als Fanny Logan
* Die Frau im Haus gegenüber dem Mädchen im Fenster (2022) als Anna
* Die Schlangenkönigin (2022) als Katharina von Medici
* Mission:Impossible – Dead Reckoning Teil Eins (2023) als Agent 11
Kommende Projekte:
* Mission:Impossible – Dead Reckoning Teil Zwei (2024) als Agent 11
* Die Beerdigung (2023) als Carolyn
Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und es gibt weitere Projekte, an denen Hayley Atwell im Laufe ihrer Karriere teilgenommen hat.