Hartnell var et enebarn av en ugift mor og han ble stort sett oppdratt av tanten sin, Bessie. Hartnell fant aldri ut hvem faren hans var, selv om han prøvde å finne ham etter at han vokste opp. Han ble utdannet hjemme og på Imperial Service College. Etter å ha trent som jockey og bokser, begynte han å studere skuespillkunst på Sylvia Young Theatre School og han begynte å jobbe i teateret i 1924 under Frank Benson. Hans først filmopptreden var i fra 1932. Han spilte i mer enn 60 filmer i løpet av karrieren. Hartnell spilte ofte komiske karakterer frem til 1944, da han fikk rollen som sersjant Ned Fletcher i . Etter den filmen spilte han stort sett politibetjenter, soldater og kjeltringer. I 1958 hadde han hovedrollen i den første Carry On-filmen , hvor han spilte sersjant Grimshaw. I 1963 spilte han et bystyremedlem i filmen med Peter Sellers. Hartnell dukket også opp som Will Buckley i i 1959 (også med Peter Sellers).