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" adlı dizide oynadı. 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.