لیلا حاتمی در نهم مهر 1351 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. برای ادامهٔ تحصیل به لوزان سوئیس رفت. در دانشگاه پلی تکنیک در رشتهٔ مهندسی برق شروع به تحصیل کرد. تحصیل در این رشته را پس از دو سال نیمه کاره رها کرد و به دانشگاه لوزان، سوئیس رفت و آن جا ادبیات فرانسه خواند. به علت بیماری پدرش در 1375 تحصیل را نیمه کاره رها کرد و به ایران بازگشت.