Películas:
* Capitán América:El primer vengador (2011) como Peggy Carter
* Capitán América:El Soldado de Invierno (2014) como Peggy Carter
* Vengadores:La era de Ultrón (2015) como Peggy Carter
* Vengadores:Endgame (2019) como Peggy Carter
* La Duquesa (2008) como Lady Elizabeth Foster
* Brideshead revisitada (2008) como Julia Flyte
* El fin del mundo (2013) como Sam
* DOBLADO (2018) como Anna
* El hombre que inventó la Navidad (2017) como Catherine Dickens
* Cristóbal Robin (2018) como Evelyn Robin
* Misión:Imposible - Fallout (2018) como Agente 11
* Rebeca (2020) como la Sra. de Winter
* La vida eléctrica de Louis Wain (2021) como Emily Richardson
* Nivel de jefe (2021) como el coronel Carlsen
* Viuda Negra (2021) como Peggy Carter
Televisión:
* Las aventuras de Merlín (2008) como Lady Vivian
* El Prisionero (2009) como número 30
* Contraataque (2010) como la sargento Rachel Dalton
* Los Pilares de la Tierra (2010) como Aliena
* Agente Carter (2015-2016) como Peggy Carter
* Fin de Howard (2017) como Margaret Schlegel
* Convicción (2016) como Hayes Morrison
* La búsqueda del amor (2021) como Fanny Logan
* La mujer en la casa de enfrente de la chica de la ventana (2022) como Anna
* La Reina Serpiente (2022) como Catalina de Médicis
* Misión:Imposible - Dead Reckoning Parte Uno (2023) como Agente 11
Próximos Proyectos:
* Misión:Imposible - Dead Reckoning Segunda parte (2024) como Agente 11
* El Entierro (2023) como Carolyn
Esta lista no es exhaustiva y existen otros proyectos en los que Hayley Atwell ha participado a lo largo de su carrera.