丹尼斯经过了几年的考察，13岁时，汉密尔顿签约迈凯轮的车手发展计划，成为与F1正式签约车手，随后夺得雷诺方程式的冠军，欧洲F3年度冠军，GP2年度冠军。
2007是汉密尔顿登陆F1的第一年，也是他效力迈凯轮的第一个赛季，在澳大利亚揭幕站，汉密尔顿夺得了季军，在第一次参赛就登上领奖台，随后，他连续9个分站都进入前三，并在加拿大分站第一次赢得杆位及分站冠军，到最后，他成为了冠军的热门人选，可惜最后两站发挥欠佳，最终只能以1分之差屈居年度亚军，但汉密尔顿已经向世人证明了他的实力，全年获得109分。
2008年，汉密尔顿在揭幕战率先拿下杆位与冠军，但接下来的两站，小汉发挥都并不理想，直到西班牙分站，他又重新回到了领奖台，但他与马萨之的争夺一直都很激烈，最终两人拼到了最后一站，马萨成功在家乡拿下分站冠军，当他冲线时，汉密尔顿原本在第六位，眼看马萨就要成冠军了，汉密尔顿在后面并没有放弃，结果他在最后时刻超过格洛克抢得了第五名，并最终以1分力压马萨成为了总冠军。这个冠军确实是很幸运，全年获得98分。
2009赛季，汉密尔顿开局并不理想，甚至连续出现5个分站不能得分的情况，直到第10个分站，小汉终于拿下了个人赛季的第一个分站冠军，随后，他又在新加坡收获一个冠军，但全年下来，他仅以49分排在车手榜的第五位。
2010赛季，前5个分站，小汉在排位赛发挥不理想，但在正赛基本能拼回较不错的位置，直到土耳其分站，汉密尔顿终于获得了分站冠军，赛季下来他一共获3个分站冠军，9次登上领奖台。
2011赛季，红牛的维特尔继续垄断着比赛，汉密尔顿与上一个赛季一样，仅能排在第五位，但是他也收获了3个分站冠军。
2012年，汉密尔顿的状态比较起伏，虽然赛季前三个分站收获了3个季军，但随后却未能稳定得分，之后这位迈凯轮车手收获了3个分站冠军，是车手中最多的，只是受到赛车不稳定拖累。在对上的4个分站，他拿下了2个冠军。不过无论是从驾驶赛车的角度，还是赛场外的私人生活，汉密尔顿都走出了2011赛季的各种不顺和不快。在新加坡站结束后，汉密尔顿做出了一个极具轰动性的决定：明年离开迈凯轮，加盟梅赛德斯。打从汉密尔顿做出加盟梅赛德斯车队的决定后，该车队就再没取得过任何分数。当被问到是否有点后悔自己的选择时，汉密尔顿却表现得异常坚定，“我必须相信自己的决定。坚持我所选择的。”
2013年，本来对梅赛德斯没报多大希望的汉密尔顿，反而被W04战车的速度震撼，汉密尔顿夺得4次杆位，但梅赛德斯依旧无法完全解决轮胎过度损耗问题，导致汉密尔顿无法将杆位转化为冠军。但匈牙利站，刘易斯一气呵成，领跑全场，拿下加入梅赛德斯的首场胜利。截止到匈牙利站，汉密尔顿取得124个积分，积分榜排名第四，落后维特尔48分，另外，4次领奖台，4次杆位，1个分站冠军。
2013赛季结束，汉密尔顿不仅超出季前预期获得了一站冠军(匈牙利站)，在银石和斯帕的杆位表现同样惊艳，虽然始终表示未能很好适应W04的刹车系统，汉密尔顿还是在排位和最后的积分上拼掉了与车队磨合多年的罗斯伯格。2013对梅赛德斯对汉密尔顿都是一个很好的合作开始。
2014赛季，汉密尔顿拿到了11场分站胜利，另有3个亚军和2个季军，时隔六年再夺总冠军。从巴林站的强势，到摩纳哥站的委屈，从夏天的心态不稳定到夏休之后比利时经历撞车事件，最后，从意大利开始，落后29分的汉密尔顿抛开一切杂念，完全专注比赛，完成反超。
2015年4月，汉密尔顿入围劳伦斯最佳男运动员奖。10月25日，在夺得了F1美国站的分站冠军之后，汉密尔顿提前卫冕2015赛季的车手总冠军。
2017年6月，在2017赛季F1阿塞拜疆大奖赛汉密尔顿因为比赛中头枕出现故障只获得第5名。
2017年10月8日，2017赛季日本大奖赛正赛中，获得冠军。
▪ 2015 第18届英国GQ男士年度运动员 （获奖）
▪ 2008 劳伦斯最佳突破奖 （获奖）
▪ 2008 劳伦斯最佳新人奖 （获奖）
▪ 2008 英帝国勋章（MBE） （获奖）
▪ 2007 英国最鼓舞人心公众人物奖 （获奖）
▪ 2007 《泰晤士报》“InGear”年度最佳车手奖 （获奖）
▪ 2007 《汽车运动》评选年度最佳新人奖、国际赛车手奖、英国最佳车手奖 （获奖）
▪ 2000 卡丁车世界 1 号车手奖 （获奖）
