Hija única de una oradora motivacional y un terapeuta de masajes y chamán. Después de haber terminado su educación secundaria en Sion-Manning Roman Catholic Girls' School, en Londres, Atwell continuó su decidió ingresar en a Escuela de Oratoria de Londres antes decidirse por la profundizar interpretación en la Guildhall School of Music and Drama donde se graduó en 2005.
Fue conocida inicialmente por su trabajo en el teatro, en obras de la talla de "Panorama desde el puente" y películas como "El sueño de Casandra", "La duquesa", "Christopher Robin" y la saga de "Misión Imposible".
Pero sin duda alguna, el papel que la ha lanzado al estrellato en todo el mundo es el de Peggy Carter en las películas del Universo Cinematográfico de Marvel: "Capitán América: El primer vengador" (2011), "Capitán America: The Winter Soldier" (2014), "Avengers: Age of Ultron" (2015), "Ant-Man" (2015),"Avengers: Endgame" (2019), "Doctor Strange en el multiverso de la locura" (2022) y en las series de televisión "Agent Carter" (2015-2016) y "What If...?" (2021-2024).