I 2011 fikk hun sitt definitive gjennombrudd ved å spille Peggy Carter, den romantiske interessen til tittelkarakteren (spilt av Chris Evans) i . Også Tommy Lee Jones og Hugo Weaving spilte store roller i den filmen. Hun gav også stemme til Carter i videospill om Captain America. Atwell skal i tillegg dukke opp i en cameorolle i (2014).