Родился 7 января 1985 г. в Стивенидже (графство Хартфордшир, Англия) в семье Энтони Хэмилтона и Кармен Ларбалестьер. Его отец - сын темнокожих эмигрантов из Гренады, переехавших в Великобританию в 1955 г. Мать - англичанка.
В 2001 г. окончил в Стивенидже католическую школу, затем посещал колледж.
В 1991 г. отец приобрел Льюису Хэмилтону радиоуправляемую машину. Через год он занял второе место в национальных гонках радиоуправляемых автомобилей, где его соперниками были взрослые участники.
В 1993 г. восьмилетний Льюис Хэмилтон начал заниматься картингом на трассе в Ходдесдоне (графство Хартфордшир).
В 1995 г. стал победителем соревнований по картингу в рамках детского чемпионата Великобритании, в 1996 и 1997 гг. - в рамках серии "Чемпионы будущего". После этого Льюиса заметили рекрутеры британской команды "Макларен", участвовавшей в чемпионате мира по автогонкам в классе "Формула-1". В 1998 г. англичанин был включен в программу "Макларена" по поддержке молодых гонщиков.
В 2000 г. стал чемпионом европейской картинговой серии "Формула-А".
В 2001 г. Льюис Хэмилтон покинул картинг и перешел в гонки на болидах с открытыми колесами. Выступал за команду "Манор моторспорт". В зимних соревнованиях серии "Британская Формула-Рено" 2001 г. занял пятое место. В 2002 г. в той же серии он стал третьим по итогам сезона, а в 2003 г. завоевал чемпионский титул.
В 2004 г. выступал за "Манор моторспорт" в европейских соревнованиях в рамках автогоночной серии "Формула-3". По итогам сезона занял пятое место.
В 2005 г., представляя команду "AСМ Формуль Труа" (под этим названием в 2003-2007 гг. в данной серии выступала французская команда "АРТ Гран-при"), стал чемпионом европейской "Формулы-3".
В 2006 г. в составе "АРТ Гран-при" стал чемпионом автогоночной серии GP2 ("Джи-Пи-2", ныне "Формула-2").
Осенью 2006 г. Льюис Хэмилтон подписал контракт с командой "Формулы-1" "Макларен".
18 марта 2007 г. он дебютировал в "Формуле-1" в составе "Макларена", став первым темнокожим участником "королевских гонок". По итогам квалификации первого Гран-при сезона в Австралии он занял четвертое место, а в гонке - третье. 9 июня 2007 г. завоевал первую в карьере поул-позицию (первое место на старте) по итогам квалификации Гран-при Канады. На следующий день он одержал первую победу в основной гонке. По итогам сезона Льюис Хэмилтон стал вторым в общем зачете (четыре победы на этапах), лишь одно очко уступив чемпиону - финну Кими Райкконену из итальянской команды "Феррари".
В сезоне 2008 г. Льюис Хэмилтон одержал пять побед на этапах и впервые в карьере выиграл общий зачет соревнований, на одно очко опередив бразильца Фелипе Массу.
В 2009 г. он выиграл два этапа и занял пятое место в общем зачете "Формулы-1", чемпионом стал другой британец - Дженсон Баттон.
В сезонах 2010 и 2011 гг. выигрывал по три этапа и занимал в общем зачете четвертое и пятое места соответственно. Чемпионом в обоих случаях становился немец Себастьян Феттель.
В 2012 г. Льюис Хэмилтон стал победителем четырех гонок и занял четвертое место в общем зачете. Чемпионом соревнований в третий раз подряд стал Себастьян Феттель.
С 2013 г. по н. в. Льюис Хэмилтон выступает за немецкую команду "Мерседес". Он сменил в ее составе завершившего карьеру семикратного чемпиона мира немца Михаэля Шумахера. В дебютном сезоне за новую команду Хэмилтон выиграл один этап и занял четвертое место в общем зачете (чемпионом вновь стал Себастьян Феттель).
По итогам сезона 2014 г. Льюис Хэмилтон во второй раз в карьере стал чемпионом "Формулы-1", выиграв 11 этапов, в т. ч. первый в истории соревнований Гран-при России ("Сочи Автодром", Сочи, Краснодарский край).
В сезоне 2015 г. Льюис Хэмилтон выиграл десять гонок и в третий раз в карьере завоевал титул чемпиона "Формулы-1". В мае 2015 г. спортсмен продлил контракт с командой "Мерседес" до конца сезона 2018 г.
В сезоне 2016 г. он также выиграл десять этапов, однако занял в общем зачете второе место, уступив пять очков немцу Нико Росбергу (завершил карьеру по окончании сезона).
В сезоне 2017 г. Льюис Хэмилтон выиграл девять этапов и в четвертый раз стал чемпионом "королевских гонок".
В июле 2018 г. спортсмен продлил контракт с командой "Мерседес" до 2020 г.
В октябре 2018 г. Льюис Хэмилтон досрочно, за два этапа до конца сезона, обеспечил себе пятый в карьере чемпионский титул. Всего он выиграл 11 этапов сезона из 21.
В ноябре 2019 г. он вновь гарантировал себе титул чемпиона "королевских гонок" за два этапа до конца сезона. В общей сложности Хэмилтон победил на 11 этапах сезона из 21.
В 2020 г. Льюис Хэмилтон обеспечил себе титул чемпиона "королевских гонок" за три этапа до конца сезона. К настоящему моменту он выиграл десять этапов из состоявшихся 14.
В феврале 2021 г. продлил контракт с командой "Мерседес" на один год, в июле 2021 г. - до конца 2023 г.
В общей сложности Льюис Хэмилтон одержал 94 победы на этапах "Формулы-1". Это рекордный результат в истории соревнований. Наряду с этим, Хэмилтон занимает первое место по числу подиумов (163).
Льюис Хэмилтон делит с Михаэлем Шумахером рекорд по числу завоеванных титулов в "Формуле-1". Немецкий автогонщик выигрывал общий зачет в 1994, 1995 и 2000-2004 гг.
С сентября 2017 г. Льюис Хэмилтон является рекордсменом "Формулы-1" по числу поул-позиций: к настоящему времени он 97 раз занимал первое место по итогам квалификации. Также он делит с канадцем Жаком Вильневом рекорды по числу побед на этапах в дебютном сезоне (по четыре) и по наиболее высокой позиции, занятой участником соревнований по итогам дебютного сезона (Вильнев стал вторым в 1996 г.).
По оценке журнала "Форбс" от 2019 г., общий заработок Льюиса Хэмилтона от участия в "Формуле-1" составлял рекордную сумму - 489 млн долларов.
Кавалер ордена Британской империи (2009). Удостоен рыцарского титула (2020).
В 2008 г. Льюис Хэмилтон стал обладателем престижной спортивной награды Laureus ("Лауреус") в номинации "Прорыв года", в 2020 г. - в категории "Спортсмен года" (разделил награду с аргентинским футболистом Лионелем Месси).
В 2010 г. удостоен премии имени Лоренцо Бандини. Награда учреждена властями итальянского города Бризигелла в память гонщика "Формулы-1", погибшего в 1967 г. после аварии на Гран-при Монако.
В 2007 г. в честь Льюиса Хэмилтона была названа одна из улиц Стивениджа.
В 2007 г. спортсмен выпустил автобиографию "Моя история" (My Story).
Не женат. Его единокровный брат Николас (род. 1992) - также профессиональный гонщик, несмотря на то что страдает церебральным параличом. В сезоне 2020 г. он соревновался в британской автогоночной серии "Бритиш туринг кар чемпионшип".