Родился 7 января 1985 года в Стивенидже, к северу от Лондона. За шесть лет в картинге выиграл восемь чемпионатов. В 1995 году, в десять лет, подошёл к Рону Деннису на церемонии Autosport Awards и сказал, что однажды будет гоняться за McLaren; в 1998-м, в тринадцать, McLaren и Mercedes взяли его под опеку, и он переехал гоняться в Италию.
В 2003 году выиграл британскую Формулу-Renault. В 2004-м провёл дебютный сезон в Евросерии Формулы-3 и закончил его пятым, а 1 декабря 2004 года впервые сел за руль машины Формулы-1 — на тестах McLaren в Сильверстоуне. В 2005 году выиграл Евросерию Формулы-3 с командой ASM Фредерика Вассёра, взяв пятнадцать побед в двадцати гонках, а в 2006-м с его же ART стал чемпионом GP2: пять побед и двенадцать очков преимущества над Нельсоном Пике-младшим после финала в Монце. После этого McLaren отдала ему боевое место на 2007 год рядом с действующим чемпионом Фернандо Алонсо.
Дебютировал на Гран-при Австралии 18 марта 2007 года: стартовал четвёртым, финишировал третьим. Подиумом закончил и следующие четыре гонки. Первый поул и первую победу взял на Гран-при Канады 10 июня 2007 года, а через неделю, 17 июня, выиграл Гран-при США в Индианаполисе — тоже с поула. За дебютный сезон выиграл четыре гонки и закончил чемпионат вторым: по очкам сравнялся с Алонсо и уступил чемпиону Кими Райкконену одно очко.
Чемпионом мира стал 2 ноября 2008 года на Гран-при Бразилии: в последнем повороте последнего круга под дождём обошёл Тимо Глока, ехавшего на сухих шинах, финишировал пятым и опередил Фелипе Массу в общем зачёте на одно очко. В 23 года и 300 дней — самый молодой чемпион на тот момент. Тот сезон открыл победой с поула в Австралии 16 марта 2008 года, а 6 июля 2008 года впервые выиграл домашний Гран-при Великобритании. За McLaren выступал по 2012 год включительно; последняя из побед за команду — Гран-при США в Остине 18 ноября 2012 года.
В 2013 году перешёл в Mercedes на место завершившего карьеру Михаэля Шумахера. Первую победу за команду одержал на Гран-при Венгрии 28 июля 2013 года. С гибридным регламентом 2014 года команда стала доминировать: чемпионские сезоны — 2014, 2015, 2017, 2018, 2019 и 2020. В 2016 году титул выиграл его напарник Нико Росберг с перевесом в пять очков.
Титул 2020 года сравнял его с Михаэлем Шумахером по числу чемпионств — семь. В новогоднем списке наград 2021 года удостоен рыцарского звания; церемонию в Виндзорском замке провёл принц Уэльский 15 декабря 2021 года. 26 сентября 2021 года на Гран-при России одержал сотую победу в чемпионате — первым в истории. Титул того сезона уступил Максу Ферстаппену на последнем круге последней гонки в Абу-Даби.
В 2022 году впервые в карьере провёл сезон без побед, без побед прошёл и 2023-й. 7 июля 2024 года выиграл Гран-при Великобритании — первую гонку после Гран-при Саудовской Аравии 5 декабря 2021 года. Последняя победа за Mercedes — Гран-при Бельгии 28 июля 2024 года.
1 февраля 2024 года Ferrari объявила, что Хэмилтон переходит в команду с сезона 2025 года по многолетнему контракту; в тот же вечер Mercedes подтвердила расставание по окончании 2024 года. Первую гонку за Ferrari провёл на Гран-при Австралии 16 марта 2025 года — десятое место. Через неделю в Шанхае, 22 марта 2025 года, выиграл спринт с поула — первую победу в спринте и для себя, и для Ferrari; в воскресной гонке 23 марта был дисквалифицирован.
Сезон 2025 года закончил без единого подиума в Гран-при — впервые в карьере. Лучший результат — четвёртое место, в том числе на Гран-при Великобритании 6 июля 2025 года и на Гран-при США 19 октября 2025 года.
Напарник по Ferrari — Шарль Леклер. Сезон открывает новый технический регламент: около половины мощности силовой установки приходится на электрическую часть, аэродинамика активная, в чемпионате одиннадцать команд. На Гран-при Австралии 8 марта 2026 года финишировал четвёртым, а 15 марта 2026 года в Шанхае занял третье место — первый подиум в Гран-при за Ferrari. Вторым финишировал в Канаде 24 мая и в Монако 7 июня 2026 года.
14 июня 2026 года выиграл Гран-при Барселоны-Каталонии, стартовав вторым, — первую победу за Ferrari и первую с Гран-при Бельгии 2024 года. Команда выбрала стратегию с тремя остановками, и последнюю он провёл под виртуальным сейфти-каром. На подиуме с ним стояли Джордж Расселл и Ландо Норрис — первый полностью британский подиум с 1968 года, а сам он в 41 год стал самым возрастным победителем Гран-при со времён Джека Брэбема в 1970 году. 5 июля 2026 года финишировал третьим в Сильверстоуне, а Гран-при Испании на новой трассе в Мадриде 13 сентября 2026 года не закончил.