20 Ağustos 1992’de İstanbul’da doğdu. Yeditepe Üniversitesi Tiyatro Bölümü’nde okuyan Neslihan Atagül Doğulu, 2006 yılında “Yaprak Dökümü” dizisiyle oyunculuk kariyerine ilk adımını attı. Aynı yıl ilk uzun metrajlı filmi olan “İlk Aşk”ta Vahide Gördüm ve Çetin Tekindor ile birlikte oynadı. Bu filmdeki rolü ile Altın Koza Film Festivali’nde ‘Umut Veren Genç Kadın Oyuncu Ödülü’nü aldı. 2011 yılında “Hayat Devam Ediyor” dizisi ile oyunculuğa devam etti.

2012 yılında Yeşim Ustaoğlu'nun yazıp yönettiği, başrollerini  Özcan Deniz ile paylaştığı "Araf" filmiyle, 45. Sinema Yazarları Derneği Ödülleri ‘Cahide Sonku En İyi Kadın Oyuncu Ödülü’, 25. Tokyo Uluslararası Film Festivali ‘En İyi Kadın Oyuncu Ödülü’, Altın Koza Film Festivali ‘Türkân Şoray Umut Veren Genç Kadın Oyuncu Ödülü’,  Moskova 2Morrow Film Festivali ‘Şimdinin ve Geleceğin En İyi Oyuncusu Ödülü’nü aldı.

2013 yılında Peyami Safa’nın aynı adlı romanından uyarlanan, başrollerini Kadir Doğulu ile paylaştığı "Fatih Harbiye” dizisinin 2014 yılında final yapmasının ardından Burak Özçivit ile başrolü paylaştığı "Kara Sevda" dizisi ile 2015-2017 yılları arasında Star TV ekranlarında yer aldı. Neslihan Atagül Doğulu,  Puhu TV’de yayınlanan “Dip" dizisinde Bilge karakterine başarıyla hayat vermesinin ardından, 2019 yılı itibariyle "Sefirin Kızı " dizisiyle Star TV’de yeniden izleyicisiyle buluştu.

2020 yılında başladığı, sınır tanımayanların hikayelerine ışık tutan 'hadsiz' isimli online dergi çalışmalarını halen sürdürmektedir.