Neslihan Atagül, 20 Ağustos 1992 tarihinde İstanbul'da doğdu. Annesi Beyaz Rus, babası Çerkes kökenlidir. 2005 yılında Erberk Ajans'a kayıt yaptırdıktan 2 ay sonra bir reklam filminde oynamıştır. Yeditepe Üniversitesi Tiyatro Bölümü'nde okumaktadır.
Neslihan Atagül Doğulu, oyunculuk hayatına ilk kez 2006'da Yaprak Dökümü dizisinde Deniz karakteriyle adım atmıştır. Yine 2006 yılında İlk Aşk filminde oynadı ve bu film ile Altın Koza Film Festivali'nde 'Umut Veren Genç Kadın Oyuncu' ödülüne layık görüldü. 18 Kasım 2011 tarihinde Atv’de yayına başlayın, Mahsun Kırmızıgül’ün senaristliğini ve yönetmenliğini yaptığı ilk dizi çalışması olan 'Hayat Devam Ediyor' adı dizide Neslihan Atagül, Fikret Kuşkan, Menderes Samancılar gibi ustalarla oynamıştır.
2012 yılında otobüslerin uğradığı bir mola yerinde çalışan iki gencin öyküsünü anlatan filmde Zehra rolüne hayat verdi. Araf filminde rol alan Atagül, 2013 yılında Peyami Safa'nın aynı adlı romanından uyarlanan ve yönetmenliğini Sadullah Çelen’in yaptığı, başrollerini Kadir Doğulu ile Paylaştığı Fatih Harbiye adlı televizyon dizisinde oynadı.
2015 yılında senaryosunu Levent Kazak'ın yazdığı, yönetmenliğini Abdullah Oğuz'un yaptığı Senden Bana Kalan adlı sinema filminde Ekin Koç ile başrolleri paylaştı. Ekim 2015 ayında Star TV'de gösterilmeye başlayan, yönetmenliğini Hilal Saral'ın yaptığı başrollerinde Burak Özçivit ve Atagül'ün oynadığı Kara Sevda adlı dizide Zerrin Tekindor ve Kaan Urgancıoğlu da oynamıştır. 2016-2019 yılları arasında Pantene markasının reklam yüzü oldu. Aynı yılın eylül ayında yine aynı markanın bir reklam filminde daha yer aldı. Aksiyon sahnelerinin yer aldığı reklam filmi Madrid'de çekildi.
EVLİLİK HAYATI
25 Kasım 2015 tarihinde, 3 yıla yakındır beraber olduğu Kadir Doğulu ile nişanlanmış daha sonra da evlenmiştir. Aynı yılda ise babasını kaybetmiş ve komşuları babasıyla ilgilenmediğini iddia etmiştir. 17 Aralık 2019 tarihinde Star TV'de yayımlanmaya başlayan Sefirin Kızı dizisinde Nare karakterine hayat vermiştir. 11 Ocak 2021 tarihinde yayımlanan 35. bölümü ile sağlık sorunları / bağırsak geçirgenliği nedeniyle diziden ayrılmıştır.