لیلا حاتمی در ۹ مهر۱۳۵۱ در تهران متولد شد. پدرش علی حاتمی (کارگردان سینما) و مادرش زری خوشکام (هنرپیشه قدیمی سینما) بود او چند سال پیش با علی مصفا ازدواج کرد.

در رشته‌ی ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت. برای ادامه‌ی تحصیل به لوزان سوئیس رفت. در دانشگاه پلی تکنیک در رشته‌ی برق شروع به تحصیل کرد. تحصیل در این رشته را پس از دو سال نیمه کاره رها کرد و به دانشگاه لوزان رفت و در آن‌جا ادبیات فرانسه خواند. ۱۳۷۵ به ایران آمد و از آن پس در تهران اقامت کرد. 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 ساخته‌ی پدرش علی حاتمی بود ایفای نقش کرد و پس از آن در ۱۳۷۵ برای اولین بار در کار سینمایی در فیلمی که کارگردان‌اش پدرش نبود ایفای نقش کرد.