Лейла Хатами родилась 1 октября 1972 года в городе Тегеран, Иран. Ее отец - известный иранский режиссер Али Хатами, а мать - актриса Захры Хатами. После окончания средней школы Лейла переехала в Лозанну, где поступила в Швейцарский технологический институт на специальность «Машиностроение». Через два года Хатами сменила специальность на французскую литературу, а окончив институт вернулась в Иран.
Свою актерскую карьеру Лейла начала с небольших ролей в фильмах своего отца «Kamalolmolk» и «Del Shodegan». В 1996 году актриса сыграла свою первую главную роль в картине Дарьюша Мехрджуи «Лейла». За роль в этом фильме Лейла получила награду как «Лучшая актриса» на Международном кинофестивале «Фаджр».
В 2011 году актриса сыграла роль Симин в картине Асгара Фархади «Развод Надера и Симин», за что была удостоена приза «Серебряный Медведь за лучшую женскую роль» на Международном берлинском кинофестивале и номинирована на премию Азиатской киноакадемии в этой же категории.
Спустя год Лейла снялась в драме «Последний шаг», режиссером которой выступил ее отец. Фильм был показан на кинофестивале в Карловых Варах, где был удостоен «Премии международной ассоциации кинокритиков (ФИПРЕССИ)», а сама Лейла получила премию за «Лучшую женскую роль». В апреле 2014 года Хатами вошла в состав жюри основного конкурса на Каннском кинофестивале.
Затем фильмография актрисы пополнилась такими картинами, как «Который час в твоем мире?», «Me». А в 2018 году Лейла снялась в главной роли в комедийной драме режиссера Мани Хагиги «Свинья».
Лейла Хатами замужем за иранским актером и режиссером Али Мосаффом. У супругов двое детей - сын Мани Мосаффа и дочь Асал Мосаффа.