Nació en Oxford, pero poco después de cumplir un año su familia se trasladó a Cascais, Portugal donde creció practicando varios deportes, paintball y motocross.

Dominic's International School (una escuela internacional con estudiantes de diferentes continentes) es por ello que habla con fluidez inglés (su lengua materna) y portugués.

[9]​ En los siguientes cuatro años actuó en varias películas, entre ellas Body of Lies con Leonardo DiCaprio y Steel Trap.

[11]​ En 2013 se unió al elenco de la serie Peaky Blinders, como la camarera irlandesa Grace Burgess.

La película es un éxito de audiencia y ocupa el segundo lugar en la taquilla estadounidense, pero no logra convencer a la crítica.

[16]​ Sin embargo, la actuación de Wallis fue aclamada y le valió una nominación a los MTV Movie & TV Awards 2015 en la categoría Best-Scared-As-S**t Performance.

En 2017 formó parte de la película King Arthur: Legend of the Sword, dirigida por Guy Ritchie, en la cual personificó a la doncella Maggie.

), al lado de una distribución masculina compuesta por Jon Hamm, Jeremy Renner, Ed Helms, Jake Johnson y Hannibal Buress.

En 2019, se unió al thriller de ciencia ficción Warning, escrito y dirigido por Agata Alexander.

[30]​ Ese mismo año, protagoniza el thriller Cazador de silencio con Nikolaj Coster-Waldau y Hero Fiennes-Tiffin.

[35]​ Wallis apoya a Save the Children y participó en la campaña Christmas Jumper en noviembre de 2018.

[40]​ Junto a otras celebridades, Wallis se unió al movimiento #SaveWithStories en compañía de Save the Children y No Kid Hungry.

El movimiento busca proveer diversión y educación a niños que se quedan en casa durante la pandemia.