Films:
* Captain America:de eerste wreker (2011) als Peggy Carter
* Captain America:De Wintersoldaat (2014) als Peggy Carter
* Avengers:Age of Ultron (2015) als Peggy Carter
* Avengers:eindspel (2019) als Peggy Carter
* De hertogin (2008) als Lady Elizabeth Foster
* Brideshead opnieuw bezocht (2008) als Julia Flyte
* Het einde van de wereld (2013) als Sam
* GEBOGEN (2018) als Anna
* De man die Kerstmis heeft uitgevonden (2017) als Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) als Evelyn Robin
* Missie:onmogelijk - Fallout (2018) als gemachtigde 11
* Rebekka (2020) als mevrouw de Winter
* Het elektrische leven van Louis Wain (2021) als Emily Richardson
* Baasniveau (2021) als kolonel Carlsen
* Zwarte weduwe (2021) als Peggy Carter
Televisie:
* De avonturen van Merlijn (2008) als Dame Vivian
* De gevangene (2009) als nummer 30
* Sla terug (2010) als sergeant Rachel Dalton
* De pijlers van de aarde (2010) als Aliena
* Agent Carter (2015-2016) als Peggy Carter
* Howards End (2017) als Margaret Schlegel
* Veroordeling (2016) als Hayes Morrison
* Het streven naar liefde (2021) als Fanny Logan
* De vrouw in het huis aan de overkant van het meisje in het raam (2022) als Anna
* De Slangenkoningin (2022) als Catharina de Medici
* Missie:Onmogelijk - Gegist bestek, deel één (2023) als agent 11
Aankomende projecten:
* Missie:Onmogelijk - Gegist bestek, deel twee (2024) als agent 11
* De begrafenis (2023) als Carolyn
Deze lijst is niet uitputtend en er zijn andere projecten waaraan Hayley Atwell gedurende haar hele carrière heeft deelgenomen.