Figlia dell'attore John Mills e della commediografa Mary Hayley Bell (e sorella di Juliet, anch'ella attrice), all'età di 12 anni venne scritturata da J. Lee Thompson per il ruolo di protagonista nel film Questione di vita o di morte (1959), nonostante il regista stesse cercando un ragazzo. Grazie a quell'interpretazione nel film - in cui recitò accanto al padre - venne notata da Lillian Bounds, moglie di Walt Disney, che la propose al marito come protagonista de Il segreto di Pollyanna (1960) di David Swift. La pellicola ebbe un grande successo e la Mills divenne popolare negli Stati Uniti, ricevendo anche un Oscar giovanile per la sua interpretazione.

Walt Disney scritturò la giovanissima attrice per un'altra pellicola da protagonista, nel doppio ruolo delle gemelle Sharon e Susan, Il cowboy con il velo da sposa (1961) con protagonisti Brian Keith e Maureen O'Hara; oltre al grande successo del film, diretto ancora da David Swift, il brano in esso cantato dalla Mills, Let's Get Together, arrivò ai primi posti nelle classifiche di vendita, portando all'incisione di un intero album intitolato Let's Get Together with Hayley Mills.

La Mills interpretò altre quattro pellicole Disney nei sei anni successivi, divenendo la più popolare attrice bambina del periodo; in quegli anni venne scritturata anche per film non prodotti dalla Disney, spesso affiancata dal padre, come in Il giardino di gesso (1964) di Ronald Neame e Crociera imprevista (1965) di Richard Thorpe, o in film tratti da opere della madre, come Whistle Down the Wind (1961) di Bryan Forbes. Si racconta inoltre che lei fosse stata la prima scelta di Stanley Kubrick per il suo Lolita (1962), nel ruolo andato poi a Sue Lyon dopo il veto posto da Walt Disney[senza fonte].

Nel 1966, alla scadenza del contratto con la Disney, la Mills tornò in Inghilterra, dove recitò sia sul grande schermo che sul palcoscenico: in quello stesso anno debuttò infatti in una versione teatrale di Peter Pan. Negli anni ottanta-novanta, oltre a recitare nel film Appuntamento con la morte (1988) di Michael Winner, accettò di interpretare tre film televisivi realizzati come sequel de Il cowboy con il velo da sposa, oltre a partecipare come guest star ad alcune serie e miniserie per la televisione americana, fra cui La signora in giallo. Dal 2007 al 2012 fu nel cast della serie televisiva Cuore d'Africa, dove interpretò il ruolo di Caroline Black.