لیلا حاتمی در نهم مهر ۱۳۵۱ به دنیا آمد. پدرش علی حاتمی، کارگردان سرشناس سینمای ایران، و مادرش زری خوشکام، هنرپیشه سینما، بود. او در رشته ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت. در دانشگاه پلی تکنیک تهران (دانشگاه صنعتی امیرکبیر) در رشته  مهندسی 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 ۱۳۷۷ با علی مصفا ازدواج کرد. از آن پس در تهران زندگی می‌کند. 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 ساخته  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.