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:Sluttspill (2019) som Peggy Carter
* Hertuginnen (2008) som Lady Elizabeth Foster
* Brideshead Revisited (2008) som Julia Flyte
* Verdens ende (2013) som Sam
* BENT (2018) som Anna
* Mannen som oppfant 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 elektriske liv (2021) som Emily Richardson
* Sjefsnivå (2021) som oberst Carlsen
* Black Widow (2021) som Peggy Carter
Fjernsyn:
* Merlins eventyr (2008) som Lady Vivian
* Fangen (2009) som nummer 30
* Slå tilbake (2010) som sersjant Rachel Dalton
* Jordens søyler (2010) som Aliena
* Agent Carter (2015-2016) som Peggy Carter
* Howards End (2017) som Margaret Schlegel
* Overbevisning (2016) som Hayes Morrison
* Jakten på kjærlighet (2021) som Fanny Logan
* Kvinnen i huset over gaten fra jenta i vinduet (2022) som Anna
* Slangedronningen (2022) som Catherine de Medici
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part One (2023) som agent 11
Kommende prosjekter:
* Mission:Impossible - Dead Reckoning Part Two (2024) som agent 11
* Begravelsen (2023) som Carolyn
Denne listen er ikke uttømmende, og det er andre prosjekter som Hayley Atwell har deltatt i gjennom hele sin karriere.