Es hija del prestigioso actor John Mills y de la novelista y autora teatral Mary Hayley Bell (ambos fallecidos en 2005) y hermana de la también intérprete Juliet Mills (casada con el actor Maxwell Caulfield desde 1980).
Tras debutar como actriz en obras escolares y participar en representaciones familiares, a los 9 años el director J. Lee Thompson se fijó en ella para intervenir en película británica "La bahía del tigre" (1959), en la que secundó a su propio padre. Por este primer trabajo consiguió un Premio en el Festival de Berlín y un BAFTA como Mejor actriz promesa.
En Estados Unidos firmó un contrato de 5 años con la productora Disney y su primera película para el estudio fue "Polyanna" (1960), drama de época en el que interpretó a una niña huérfana que es acogida por una estricta familia. Por su interpretación obtuvo un Oscar honorífico y se convirtió en una de las actrices indispensables de la compañía.
Un año después protagonizó su película Disney más popular, la exitosa "Tu a Boston y yo a California", comedia familiar en la que interpretó el doble papel de dos hermanas gemelas llamadas Sharon McKendrick y Susan Evers, las cuales que se conocen de forma casual en un campamento y descubren que tras el divorcio de sus padres (Brian Keith y Maureen O' Hara), cada uno de sus progenitores llegó al acuerdo de cuidar a una de ellas. Sin embargo, las dos niñas tratarán de elaborar un plan para reconciliar a sus padres. Esta película la consagró gracias a su naturalidad y simpatía ante las cámaras y logró un Globo de oro como Mejor promesa femenina. El film además logró una merecida nominación al Oscar en la categoría de Mejor montaje.
Su siguiente film para la productora fue la película de aventuras basada en la novela de Julio Verne "Los hijos del Capitán Grant", en la que interpretó a Mary Grant, una joven que junto a su hermano Robert (Keith Hampshere) se embarca en una aventura para buscar a su padre desaparecido y donde ambos serán ayudados por el profesor Jacques Paganel (Maurice Chevalier).
Ya convertida en una bella joven, protagonizó sus dos últimas películas para Disney con "La bahía de las esmeraldas" (historia de aventuras y misterio estrenada en 1964 y en la que interpretó a Nikky Ferris, una joven que se enamora de un chico al que ayuda a robar unas joyas) y la comedia "Un gato del FBI" (1965), junto a Dean Jones. Al mismo tiempo, rodó algunos films británicos como "Cuando el viento silba" (1961) y "Mujer sin pasado" (1964), drama en el que secundó a Deborah Kerr.
Después de intervenir en la comedia juvenil "Ángeles rebeldes" (1965), y ya convertida en adulta, realizó papeles en films británicos como "Luna de miel en familia" (comedia estrenada en 1966 y que causó cierta polémica al romper con su imagen cándida de antaño), "La heredera de Singapur" (1967), "Nervios rotos" (1968), "El invencible sexo débil" (1970), "La noche sin fin" (1971), o "El tramposo" (1974). En 1975 participó en la película sudafricana "The Kingfisher Caper", y tras este trabajo estuvo alejada de la gran pantalla durante varios años.
A finales de los 70 actuó en la obra teatral "A Touch of Spring" (1975-76). En la década de los 80 participó en otros montajes teatrales como "Talley's Flly" (1982) y "Juguetes en el ático" (1985), aunque sus trabajos más prolíficos los realizó en la televisión, primero con la miniserie británica "The Flame Trees of Thika" (1981) y luego con tres exitosas secuelas de "Tu a Boston y yo a California", la primera estrenada en 1986 y la segunda y tercera en 1989. Por esta misma época también fue actriz invitada en las series "Vacaciones en el mar", "Se ha escrito un crimen" y "Cuentos asombrosos". Entre 1988 y 1989 protagonizó la sitcom producida por Disney "Hola Miss Bliss", en la que interpretó a Carrie Bliss, una profesora de colegio que tiene como alumnos a Zack Morris (Mark-Paul Gosselaar), Screech Powers (Dustin Diamond) y Lisa Turtle (Lark Voorhies). Esta serie dio origen a la más exitosa "Salvados por la campana" (donde Hayley Mills no intervino).
A finales de los 70 actuó en la obra teatral "A Touch of Spring" (1975-76). En la década de los 80 participó en otros montajes teatrales como "Talley's Flly" (1982) y "Juguetes en el ático" (1985), aunque sus trabajos más prolíficos los realizó en la televisión, primero con la miniserie británica "The Flame Trees of Thika" (1981) y luego con tres exitosas secuelas de "Tu a Boston y yo a California", la primera estrenada en 1986 y la segunda y tercera en 1989. Por esta misma época también fue actriz invitada en las series "Vacaciones en el mar", "Se ha escrito un crimen" y "Cuentos asombrosos". Entre 1988 y 1989 protagonizó la sitcom producida por Disney "Hola Miss Bliss", en la que interpretó a Carrie Bliss, una profesora de colegio que tiene como alumnos a Zack Morris (Mark-Paul Gosselaar), Screech Powers (Dustin Diamond) y Lisa Turtle (Lark Voorhies). Esta serie dio origen a la más exitosa "Salvados por la campana" (donde Hayley Mills no intervino).
En 1988 regresó al cine como secundaria en la intriga de Hercules Poirot (Peter Ustinov) "Cita con la muerte", basada en la novela de Agatha Christie. En 1991 participó en un montaje australiano del musical teatral "Ana y el Rey", que luego representaría con éxito en una gira norteamericana. Un año después actuó en la obra "Fallen Angels". Entre sus escasas colaboraciones cinematográficas de esta época figuran la película de bajo presupuesto "After Midnight" (1990) y el largometraje animado "El jardín mágico de Stanley" (1994) de Don Bluth, donde ejerció como actriz de doblaje.
En 2000 debutó en el Off-Broadway con la obra "A Suite of Two Keys" y su siguiente trabajo en los escenarios fue "Two Can Play". En fechas más recientes regresó al cine con las películas norteamericanas de bajo presupuesto "2BPerfectly Honesty" (2004) "Stricken" (2005), "Mandie and Cherokee Treasure" (2010) y "Hogar de acogida" (2011). Entre 2007 y 2012 colaboró en varios episodios de la serie británica "Wild at Heart". En 2014 actuó en episodios de las series "Midsomer Murders" y "Moving On". En lo personal, entre 1971 y 1976 estuvo casada con el director, guionista y productor Roy Boulting, junto al que tuvo un hijo llamado Crispian (que es cantante del grupo Kula Shaker). Posteriormente mantuvo un romance con el actor Leigh Lawson, con el que tuvo su segundo hijo Jason. Luego estuvo unida al también intérprete Marcus MacLaurine.
En 2000 debutó en el Off-Broadway con la obra "A Suite of Two Keys" y su siguiente trabajo en los escenarios fue "Two Can Play". En fechas más recientes regresó al cine con las películas norteamericanas de bajo presupuesto "2BPerfectly Honesty" (2004) "Stricken" (2005), "Mandie and Cherokee Treasure" (2010) y "Hogar de acogida" (2011). Entre 2007 y 2012 colaboró en varios episodios de la serie británica "Wild at Heart". En 2014 actuó en episodios de las series "Midsomer Murders" y "Moving On". En lo personal, entre 1971 y 1976 estuvo casada con el director, guionista y productor Roy Boulting, junto al que tuvo un hijo llamado Crispian (que es cantante del grupo Kula Shaker). Posteriormente mantuvo un romance con el actor Leigh Lawson, con el que tuvo su segundo hijo Jason. Luego estuvo unida al también intérprete Marcus MacLaurine.