لیلا حاتمی در نهم مهر ۱۳۵۱ در تهران به دنیا آمد. پدرش علی حاتمی، کارگردان سرشناس سینمای ایران، و مادرش زری خوشکام، هنرپیشه سینما بود. او در رشتهٔ ریاضی فیزیک در تهران دیپلم گرفت. در مؤسسه پلیتکنیک فدرال لوزان شروع به تحصیل کرد. تحصیل در این دانشگاه 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 هنرپیشه سینمای ایران ازدواج کرد.او در گفتگویی که با ماهنامهٔ فیلم در شهریور ۱۳۹۰ انجام داد، بیان کرد احساسات عمیق شکل گرفته در حین ساخت فیلم لیلا، پایهگذار شکلگیری پیوند این دو در زندگی واقعی شدهاست. وی دارای دو فرزند به نامهای مانی و عسل است