Elokuvat:
* Kapteeni Amerikka:Ensimmäinen kostaja (2011) Peggy Carterina
* Kapteeni Amerikka:Talvisotilas (2014) Peggy Carterina
* Avengers:Age of Ultron (2015) Peggy Carterina
* Avengers:Endgame (2019) Peggy Carterina
* herttuatar (2008) Lady Elizabeth Fosterina
* Bridesheadin uudelleenkäynti (2008) hahmona Julia Flyte
* Maailmanloppu (2013) hahmona Sam
* BENT (2018) hahmona Anna
* Mies, joka keksi joulun (2017) hahmona Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) hahmona Evelyn Robin
* Mission:Impossible – Fallout (2018) agenttina 11
* Rebecca (2020) rouva de Winterinä
* Louis Wainin sähköinen elämä (2021) hahmona Emily Richardson
* Pomotaso (2021) eversti Carlsenina
* Musta leski (2021) Peggy Carterina
Televisio:
* Merlinin seikkailut (2008) Lady Vivianina
* Vanki (2009) numerolla 30
* Takaisinlyönti (2010) kersantti Rachel Daltonina
* Maan pilarit (2010) hahmona Aliena
* Agentti Carter (2015-2016) Peggy Carterina
* Howards End (2017) hahmona Margaret Schlegel
* Tuomio (2016) Hayes Morrisonina
* Rakkauden tavoittelu (2021) hahmona Fanny Logan
* Nainen talossa kadun toisella puolella kuin tyttö ikkunassa (2022) hahmona Anna
* Käärmekuningatar (2022) hahmona Catherine de Medici
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part One (2023) agenttina 11
Tulevat projektit:
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part Two (2024) agenttina 11
* Hautaus (2023) Carolynina
Tämä luettelo ei ole tyhjentävä, ja on muitakin projekteja, joihin Hayley Atwell on osallistunut koko uransa ajan.