Al igual que sus compañeros comenzó a competir en los 'karts', pero con sólo 12 años fue descubierto por Ron Dennis y fichó por McLaren. En 2003 venció la Fórmula Renault Británica con un récord del campeonato con 10 victorias, 9 vueltas rápidas y 11 'pole positions'. En 2005, el británico ganó el campeonato de Fórmula 3 Euroseries. Su palmarés ese año fue increíble: 15 victorias, 10 vueltas rápidas y 13 'pole positions'. Se proclamó campeón cuatro carreras antes del final del campeonato. Un año más tarde, dio el salto a las GP2 Series, antesala del 'gran circo'. Firmó dos 'dobletes', en el GP de Europa y Silverstone, siendo el primer piloto en conseguirlo, y se adjudicó el título.
Su gran rendimiento en las categorías inferiores, le hizo ganarse la confianza de Dennis, que eligió a su joven pupilo en detrimento de Pedro Martínez de la Rosa para convertirse en el compañero de Fernando Alonso la temporada 2007.
Su debut sorprendió a todo el mundo, con un récord de nueve podios consecutivos. Firmó su primera 'pole' y su primera victoria en Canadá, acabó el año con cuatro triunfos y seis 'poles', fue el primer debutante en llegar líder a la última carrera. Una salida de pista y problemas en la caja de cambios le retrasaron a la decimoctava posición en la última carrera en Brasil, remontó hasta la séptima plaza, pero no pudo evitar que Raikkonen se llevara el título. Sin embargo, fuera de los circuitos atrajo aún más atención mediática por su enfrentamiento con el asturiano, que se agravó tras la sanción de la FIA al asturiano en Hungría.
En 2008, abre la campaña con un triunfo en Australia, pero decepciona en Malasia y Bahrein. En Mónaco se pone líder, pero en Canadá chocó con Raikkonen, perdió el liderato y fue sancionado con diez puestos de retraso en la parrilla del siguiente Gran Premio. Vuelve a ponerse líder al ganar en Silverstone, pero hasta Singapur, que consigue una renta de siete puntos sobre sus rivales, no despega en las puntuaciones. En Fuji, pincha y en China vuelve a ampliar su ventaja. Su quinta plaza en Brasil le dio el título por delante de Massa. Fue un final de infarto, a falta de una vuelta, el brasileño era campeón y Hamilton, sexto, pero consiguió adelantar a Timo Glock, con problemas de neumáticos, y robó 'in extremis' el título al carioca cuando ya lo celebraba con Ferrari en pista.
En 2009 acusó el brillante inicio de los Brawn GP. Hasta Hungría no subió a lo más alto del podio y, además, firmó una gran actuación en Interlagos remontando de la decimoséptima a la tercera plaza, pero su rendimiento quedó muy lejos de lo esperado.
Y el pasado curso sólo pudo ser cuarto en una temporada irregular, en la que destacan las victorias consecutivas en Turquía y Canadá, y en Bélgica. Subió en otras seis ocasiones al podio, pero se retiró en tres ocasiones.