Único filho de Lucy Hartnell, mãe solteira. Foi criado em parte por uma mãe adotiva, com quem gastou muitos feriados felizes em Devon, com a família de agricultores, onde também aprendeu a andar. Hartnell nunca descobriu a identidade de seu verdadeiro pai, apesar dos esforços para localizá-lo. Foi casado com Heather McIntyre (1929-1975) e teve apenas um filho.

Hartnell entrou no teatro em 1925. Participou de diversos filmes, no total foram mais de sessenta aparições. Interpretou ainda o primeiro Doctor Who, da série de mesmo nome, da BBC.