Filmer:
* Captain America:The First Avenger (2011) som Peggy Carter
* Captain America:The Winter Soldier (2014) som Peggy Carter
* Avengers:Age of Ultron (2015) som Peggy Carter
* Avengers:Slutspel (2019) som Peggy Carter
* Hertiginnan (2008) som Lady Elizabeth Foster
* Brideshead Revisited (2008) som Julia Flyte
* Världens ände (2013) som Sam
* BÖJD (2018) som Anna
* Mannen som uppfann julen (2017) som Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) som Evelyn Robin
* Mission:Impossible - Fallout (2018) som Agent 11
* Rebecca (2020) som fru de Winter
* Louis Wains elektriska liv (2021) som Emily Richardson
* Bossnivå (2021) som överste Carlsen
* Black Widow (2021) som Peggy Carter
Tv:
* Merlins äventyr (2008) som Lady Vivian
* Fången (2009) som nummer 30
* Slå tillbaka (2010) som sergeant Rachel Dalton
* Jordens pelare (2010) som Aliena
* Agent Carter (2015-2016) som Peggy Carter
* Howards End (2017) som Margaret Schlegel
* Övertygelse (2016) som Hayes Morrison
* Jakten på kärlek (2021) som Fanny Logan
* Kvinnan i huset tvärs över gatan från flickan i fönstret (2022) som Anna
* Ormdrottningen (2022) som Catherine de Medici
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part One (2023) som Agent 11
Kommande projekt:
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part Two (2024) som Agent 11
* Begravningen (2023) som Carolyn
Denna lista är inte uttömmande och det finns andra projekt som Hayley Atwell har deltagit i under hela sin karriär.