Neslihan Atagül 2005 yılında Erberk Ajansa kayıt yaptırdıktan 2 ay sonra bir reklam filminde oynamıştır. Yeditepe Üniversitesi Tiyatro bölümünde okumaktadır.Neslihan Atagül, 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. 2011 yılında Mahsun Kırmızıgül’ün yönettiği "Hayat Devam Ediyor" adlı dizide rol almıştır. 2012 yılında otobüslerin uğradığı bir mola yerinde çalışan iki gencin öyküsünü anlatan "Araf" filminde Neslihan Atagül performansıyla izleyenlerin beğenisini kazandı. Neslihan Atagül, 2013 yılında ise "Fatih Harbiye" dizinde rol almıştır. Şu an ise "Kara Sevda" adlı dizide oynamaktadır.