20 Ağustos 1992 tarihinde İstanbul'da doğdu. Yeditepe Üniversitesi Tiyatro Bölümü'nde eğitim gören Neslihan Atagül Doğulu, 2006 yılında dört sezon boyunca klasik bir romandan uyarlanan "Yaprak Dökümü" dizisi ile çocuk oyuncu olarak oyunculuğa ilk adımını attı. Aynı yıl ilk sinema filmi "İlk Aşk"'ta Vahide Gördüm ve Çetin Tekindor ile birlikte rol aldı. Bu filmdeki rolüyle Altın Koza Uluslararası Film Festivali'nde "Umut Veren Genç Kadın Oyuncu Ödülü"nü aldı. Oyunculuğa 2011 yılında "Hayat Devam Ediyor" dizisi ile devam etti.2012 yılında Yeşim Ustaoğlu'nun yazıp yönettiği "Araf" adlı sinema filmi ile 45. Sinema Yazarları Derneği Ödülleri' 'Cahide Sonku En İyi Kadın Oyuncu Ödülü', 25. Tokyo Uluslararası Film Festivali''nin 'En İyi Kadın Oyuncu Ödülü', Uluslararası Adana Altın Koza Film Festivali'nin 'Türkan Şoray Umut Veren Genç Kadın Oyuncu Ödülü' ve Moskova 2Morrow Film Festivali'nin 'Günümüzün ve Geleceğin En İyi Erkek Oyuncusu' ödüllerini kazandı.Peyami Safa'nın aynı adlı klasik romanından uyarlanan ve başrollerini eşi Kadir Doğulu ile paylaştığı "Fatih Harbiye" dizisinin 2014 yılında final yapmasının ardından 2015-2017 yılları arasında Star TV'de Burak Özcivit ile başrolünü paylaştığı "Kara Sevda" dizisi ile ekranlarda oldu. Neslihan Atagül Doğulu, Puhu TV'de yayınlanan "Dip" adlı dijital dizide Bilge karakterine başarıyla hayat verdi. 2019 yılında Star TV'de "Sefirin Kızı" dizisi ile yeniden izleyicisiyle buluştu.2020 yılından itibaren sınır tanımayanların hikayelerine ışık tutan online dergi 'hadsiz' çalışmalarına devam ediyor.