در نهم مهر ۱۳۵۱ به دنیا آمد. پدرش علی حاتمی (کارگردان سرشناس سینمای ایران) و مادرش زری خوشکام (هنرپیشه سینما) بود. در رشتهٔ ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت. برای ادامهٔ تحصیل به لوزان سوئیس رفت. در دانشگاه پلی تکنیک در رشتهٔ برق شروع به تحصیل کرد. تحصیل در این رشته را پس از دو سال نیمه کاره رها کرد و به دانشگاه لوزان، سوئیس رفت و آن‌جا ادبیات فرانسه خواند. به علت بیماری پدرش در ۱۳۷۵ تحصیل را نیمه‌کاره رها کرد و به ایران بازگشت. در سال ۱۳۷۸ با علی مصفا ازدواج کرد. از آن پس در تهران زندگی می‌کند. وی دارای دو فرزند به نامهای مانی و عسل است.
لیلا حاتمی تاکنون موفق به کسب دو جایزه در رشته بهترین بازیگر نقش اول زن برای فیلمهای بی پولی (۱۳۸۷) و لیلا (۱۳۷۵) در جشنواره فیلم فجر شده‌است. اولین حضورش در سینما در نقش کودکی کمال‌الملک (در فیلم «کمال الملک» به کارگردانی پدرش علی حاتمی) بود. در سال ۱۳۷۰ در فیلم دلشدگان که آن هم ساختهٔ پدرش علی حاتمی بود ایفای نقش کرد. پس از آن در ۱۳۷۵ برای اولین بار در یک کار سینمایی در فیلمی که کارگردان‌اش پدرش نبود (فیلم لیلا از داریوش مهرجویی) نقش یک زن نازا را ایفا کرد و برای آن دیپلم افتخار جشنواره فیلم فجر را گرفت. فیلم موفق دیگر او آب و آتش بود که در آن نقش یک زن روسپی (مریم) را به خوبی اجرا کرد. بازی آتیلا پسیانی زوج و پسر عموی مریم از نکات درخشان دیگر فیلم بود. او برای بازی درخشانش در فیلم بی پولی موفق به دریافت سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن از جشنوارهٔ فیلم فجر شد. همچنین برای بازی در فیلم پرسه در مه نامزد دریافت تندیس از چهاردهمین جشن خانهٔ سینما شد. در تئاتر تجربه‌ای ندارد. در تمرینات تئاتر منهای دو داوود رشیدی بسیار خوش درخشید اما به دلیل بیماری مجبور به خارج شدن از تیم شد.
در سال ۱۳۹۰ به همراه اصغر فرهادی و چندی از بازیگران فیلم جدایی نادر از سیمین به جشنوارهٔ فیلم برلین دعوت شد ولی به هر دلیلی که برخی آن را بازی در فیلم بعدیش (پله اخر) می‌دانند در اختتامیه شرکت نکرد. که در آن مراسم به همراه ساره بیات و سارینا فرهادی برندهٔ خرس نقره‌ای بهترین گروه بازیگران زن شد.
در بهار ۱۳۹۰ در مراسمی با عنوان نقد و نمایش فیلم چیزهایی هست که نمی‌دانی شرکت کرد. بهار همین سال در مراسم فرش قرمز فیلم جرم(مسعود کیمیایی) به همراه علی مصفا شرکت کرد. تابستان ۹۰ به دنبال اکران جدایی نادر از سیمین به خارج از کشور سفر کرد و در افتتاحیهٔ اکران فیلم همراه با اصغر فرهادی حضور داشت. او در بیشتر فیلم‌هایش نقش زنی از طبقات بالای اقتصادی یا فرهنگی جامعه، با روحیه خونسرد و شخصیت مستقل و محکم را بازی کرده‌است.
لیلا حاتمی تا کنون بیشترین همکاری را با داریوش مهرجویی داشته است که در سه فیلم او به ترتیب:لیلا.میکس و آسمان محبوب بازی کرده‌است. لیلا یکی از مشهور ترین فیلمهای مهرجویی و همچنین از به یادماندنی ترین نقش‌های لیلا حاتمی را در خود جای داده‌است. پس از آن ایشان با کارگردان‌هایی چون:فریدون جیرانی، علیرضا رئیسیان، علی مصفا، علی حاتمی بیشترین همکاری(دو فیلم) را داشته‌اند. لیلا حاتمی شخصا کارگردان، فیلمنامه و نقشی که قرار است به عهده بگیرد را مهم ترین عوامل برای انتخاب پیشنهاد بازی میشمارد. و معتقد است نقشی که خوب نوشته شده باشد را خوب هم می‌توان بازی کرد. از میان کارگردانان کار با داریوش مهرجویی را راحت تر میشمارد. هم چنین او با کارگردان‌های فیلم اول یا دومی چون بهرام توکلی و یا فردین صاحب زمانی همکاری داشته است.
جوایز و افتخارات
برببرنده خرس نقره‌ای بهترین بازیگران زن از جشنواره فیلم برلین برای فیلم «جدایی نادر از سیمین» (به همراه ساره بیات و سارینا فرهادی) -۱۳۸۹-۲۰۱۱
ü برنده بهترين بازيگر جشنواره مونترال كانادا براي فيلم ايستگاه متروك
ü کاندید دریافت سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن در بیست و نهمین جشنوادهٔ فیلم فجر برای بازی در «جدایی نادر از سیمین» -۱۳۸۹
ü کاندید دریافت سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن در بیست و هشتمین جشنوادهٔ فیلم فجر برای بازی در «چهل سالگی» -۱۳۸۸
ü کاندید تندیس زرین بهترین بازیگر نقش اول زن از چهاردهمین جشن خانه سینما برای بازی در فیلم «پرسه در مه» - ۱۳۸۹
ü کاندید سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن از بیست و سومین جشنواره فیلم فجر برای بازی در فیلم «سالاد فصل» - ۱۳۸۳
ü کاندید سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن از بیستمین جشنواره فیلم فجر برای بازی در فیلم «ایستگاه متروک» - ۱۳۸۰
ü کاندید سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن از هفدهمین جشنواره فیلم فجر برای بازی در فیلم «شیدا» - ۱۳۷۷
ü برنده سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول زن از بیست و هفتمین جشنواره فیلم فجر برای بازی در فیلم «بی پولی» - ۱۳۸۷
ü برنده دیپلم افتخار بهترین بازیگر نقش اول زن از پانزدهمین جشنواره فیلم فجر برای بازی در فیلم «لیلا» - ۱۳۷۵
ü کاندید تندیس زرین بهترین بازیگر نقش اول زن از ششمین جشن خانه سینما برای بازی در فیلم «ارتفاع پست» - ۱۳۸۱
ü برنده تندیس زرین بهترین بازیگر نقش اول زن از پنجمین جشن خانه سینما برای بازی در فیلم «آب و آتش» - ۱۳۸۰
ü بهترین بازیگر نقش اول زن سال به انتخاب نویسندگان و منتقدان سینمایی برای بازی در فیلم «آب و آتش» - ۱۳۸۰
ü سومین بازیگر نقش اول زن سال به انتخاب نویسندگان و منتقدان سینمایی برای بازی در فیلم «ایستگاه متروک» - ۱۳۸۲
ü چهارمین بازیگر نقش اول زن سال به انتخاب نویسندگان و منتقدان سینمایی برای بازی در فیلم «ارتفاع پست» - ۱۳۸۱
ü برنده جایزهٔ بهترین بازیگر نقش اول زن در سومین جشن منتقدان برای فیلم «بی پولی» ۱۳۸۸
ü برندهٔ جایز هی بهترین بازیگر نقش اول زن از جشنوارهٔ فیلم حراره برای فیلم «هر شب تنهایی» ۱۳۸۹
فیلم‌شناسی
سینمایی
1. کمال‌الملک (1362، علی حاتمی)
2. دلشدگان (1370، علی حاتمی)
3. لیلا (1375، داریوش مهرجویی)
4. شیدا (1377، کمال تبریزی)
5. میکس (1378، داریوش مهرجویی)
6. آب و آتش (1379، فریدون جیرانی)
7. مربای شیرین (1379، مرضیه برومند)
8. ایستگاه متروک (1379، علیرضا رئیسیان)
9. ارتفاع پست (1380، ابراهیم حاتمی‌کیا)
10. سیمای زنی در دوردست (1382، علی مصفا)
11. سالاد فصل (1383، فریدون جیرانی)
12. حکم (1383، مسعود کیمیایی)
13. شاعر زباله‌ها (1383، محمد احمدی)
14. هر شب تنهایی (1386، رسول صدرعاملی)
15. شیرین (1386، عباس کیارستمی)
16. بی‌پولی (1387، حمید نعمت‌الله)
17. چهل سالگی (1387، علیرضا رئیسیان)
18. پرسه در مه (1388، بهرام توکلی)
19. چیزهایی هست که نمی‌دانی (1388، فردین صاحب‌الزمانی) آمادۀ نمایش
20. آسمان محبوب (1388، داریوش مهرجویی) آمادۀ نمایش
21. سعادت‌آباد (1389، مازیار میری)
22. جدایی نادر از سیمین (1389، اصغر فرهادی)
23. پلۀ آخر (1390، علی مصفا) آمادۀ نمایش
24. آشنایی با لیلا (1390، عادل یراقی) در مراحل فنی
25. نارنجی‌پوش (1390، داریوش مهرجویی) آمادۀ نمایش
26. بدنامی مهری (1390، ابراهیم مختاری) در مرحلۀ پیش‌تولید
27. لطفاً بدون گناه (1390، علیرضا رئیسیان) در مرحلۀ پیش‌تولید
سریال‌های تلویزیونی:
1. طلاق (1356، مسعود اسداللهی)
2. هزاردستان (1358-1367، علی حاتمی)
3. کیف انگلیسی (1378، سید ضیاء‌الدین دری)
4. پریدخت (1386، سامان مقدم)
سایر فیلم‌ها:
1. جهان پهلوان تختی (1375، علی حاتمی): دستیار دوم کارگردان
2. فریب شعر (1376، علی مصفا): طراح صحنه
3. هم‌سایه (1380، علی مصفا): طراح صحنه و لباس و مسئول تدارکات
4. در جست‌وجوی شهرزاد (1381، صفی یزدانیان): فقط صدا (گویندۀ نریشن)
5. قایق‌های من (1384، صفی یزدانیان): فقط صدا
6. قالی ایرونی ما (1389، مسعود بخشی): گویندۀ نریشن
