پدرش علی حاتمی، کارگردان سرشناس سینمای ایران، و مادرش زری خوشکام، هنرپیشه سینما، بود. او در رشتهٔ ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت. برای ادامهٔ تحصیل به لوزان سوئیس رفت. در دانشگاه پلی تکنیک تهران (دانشگاه صنعتی امیرکبیر) در رشتهٔ 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.
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 افتخارجشنواره فیلم فجر را گرفت. فیلم موفق دیگر او آب و آتش بود که در آن نقش مریم را به خوبی اجرا کرد.
لیلا حاتمی تا کنون بیشتر همکاری را با داریوش مهرجویی داشته‌است که در چهار فیلم او به ترتیب:لیلا، میکس، آسمان محبوب و نارنجی پوش بازی کرده‌است. لیلا یکی از مشهورترین فیلم‌های مهرجویی و همچنین از به یادماندنی‌ترین نقش‌های لیلا حاتمی را در خود جای داده‌است. پس از آن ایشان با کارگردان‌هایی چون:علی مصفا، فریدون جیرانی، علیرضا رئیسیان و علی حاتمی (دو فیلم) بیشترین همکاری را داشته‌اند.
تاکنون لیلا حاتمی در ۳۰ فیلم سینمایی به عنوان بازیگر حضور داشته که رگ خواب و من دو فیلم اخیر او هستند که در سال ۹۴ تولید شدند. حاتمی در چندین جشنواره بین‌المللی نیز به عنوان داور حضور داشته است.
همچنین لیلا حاتمی عضو هیات امنای مدرسه ملی سینما ایران می‌باشد.