Po zwycięstwach w kilku mistrzostwach kartingowych, w wieku 12 lat, jego talent dostrzegli szefowie McLarena, co zaowocowało przyjęciem go do programu rozwojowego młodych kierowców ekipy z Woking. Wcześniej brał udział w Brytyjskiej Formule Renault, w 2000 roku był także europejskim mistrzem w kartingu.
W 2005 roku zwyciężył w serii Formuły 3 Euro Series, jeżdżąc dla zespołu ASM. Rok wcześniej reprezentował barwy Manor Motorsport. W sezonie 2006 startował w Serii GP2 w barwach zespołu ART, zajmując miejsce ubiegłorocznego mistrza serii, Nico Rosberga, który rozpoczął starty w Formule 1. Jego największym rywalem był Nelson Ângelo Piquet, syn trzykrotnego mistrza Formuły 1 – Nelsona Piqueta, który ostatecznie stracił szanse na tytuł po przedostatnim wyścigu sezonu na torze Monza we Włoszech. Sukces Hamiltona zbiegł się w czasie z odejściem z zespołu McLarena obydwu kierowców – Juana Pablo Montoi do serii wyścigowej NASCAR, oraz Kimiego Räikkönena do Ferrari. Po wielu miesiącach spekulacji, kto będzie jeździł u boku Fernando Alonso, potwierdzono że to Brytyjczyk zostanie kierowcą tej drużyny w 2007 roku.
Formuła 1 2007–2012: McLaren