پدرش علی حاتمی و مادرش زری خوشکام هستند. او در رشتهٔ ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت و برای ادامهٔ تحصیل به لوزان سوئیس رفت. در دانشگاه پلی تکنیک در رشتهٔ مهندسی الکترونیک شروع به تحصیل کرد اما 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 1375 تحصیل را نیمه‌کاره رها کرد و به ایران بازگشت. در سال 1378 با علی مصفا ازدواج کرد. وی دارای دو فرزند به نام‌های مانی و عسل است. لیلا حاتمی همچنین قادر به صحبت به پنج زبان انگلیسی و فرانسه و فارسی و آلمانی و ایتالیایی است.

اولین حضورش در سینما در نقش کودکیِ کمال الملک (در فیلم «کمال الملک» به کارگردانی پدرش علی حاتمی) بود. پس از آن در سال 1375 برای اولین بار در یک کار سینمایی در فیلمی که کارگردان‌ش پدرش نبود (فیلم «لیلا» ساخته داریوش مهرجویی) نقش یک زن نازا را ایفا کرد و برای آن موفق به دریافت دیپلم افتخار از جشنواره فیلم فجر شد.

در سال 2012 از سوی دولت فرانسه به وی نشان هنر و ادب اعطاء گردید. سفارت فرانسه طی بیانه‌ای اعلام کرد نشان ادب و هنر درجه شوالیه توسط وزیر فرهنگ و ارتباطات این کشور به لیلا حاتمی اعطا شده‌است. در قستمی دیگر از این بیانه آمده: "این نشان به خاطر خلاقیت هنری یا ادبی و یا به خاطر مشارکت در درخشش و بازتاب هنر و ادب، در فرانسه و در جهان به هنرمندان اعطا می‌شود."