Filmy:
* Captain America:The First Avenger (2011) ako Peggy Carter
* Kapitán Amerika:Zimný vojak (2014) ako Peggy Carter
* Avengers:Age of Ultron (2015) ako Peggy Carter
* Avengers:Endgame (2019) ako Peggy Carter
* Vojvodkyňa (2008) ako Lady Elizabeth Foster
* Opätovná návšteva Brideshead (2008) ako Julia Flyte
* Koniec sveta (2013) ako Sam
* BENT (2018) ako Anna
* Muž, ktorý vynašiel Vianoce (2017) ako Catherine Dickens
* Christopher Robin (2018) ako Evelyn Robin
* Misia:Impossible – Fallout (2018) ako agent 11
* Rebecca (2020) ako pani de Winter
* Elektrický život Louisa Waina (2021) ako Emily Richardson
* Úroveň šéfa (2021) ako plukovník Carlsen
* Čierna vdova (2021) ako Peggy Carter
Televízia:
* Merlinove dobrodružstvá (2008) ako Lady Vivian
* Väzeň (2009) ako číslo 30
* Vráťte úder (2010) ako seržantka Rachel Daltonová
* Piliery Zeme (2010) ako Aliena
* Agent Carter (2015-2016) ako Peggy Carter
* Howards End (2017) ako Margaret Schlegel
* Odsúdenie (2016) ako Hayes Morrison
* Prenasledovanie lásky (2021) ako Fanny Logan
* Žena v dome cez ulicu oproti dievčaťu v okne (2022) ako Anna
* Hadia kráľovná (2022) ako Catherine de Medici
* Misia:Impossible – Dead Reckoning, prvá časť (2023) ako agent 11
Nadchádzajúce projekty:
* Misia:Impossible – Dead Reckoning, druhá časť (2024) ako agent 11
* Pohreb (2023) ako Carolyn
Tento zoznam nie je úplný a existujú aj ďalšie projekty, na ktorých sa Hayley Atwell počas svojej kariéry podieľala.