2007-es szezon
Hamilton a kétszeres világbajnoki címvédő Fernando Alonso csapattársa lenne. Alonso a Renault-tól való távozása után csatlakozott a McLarenhez. Az Ausztrál Nagydíjon való debütálásakor a negyedik helyre kvalifikálta magát, és a harmadik helyen végzett a versenyen. Ő lett a tizenharmadik pilóta, aki F1-es pályafutása első versenyén dobogón végzett (kivéve a világbajnokság első futamán résztvevőket). Bahreinben Hamilton első alkalommal indult az első sorból, a kvalifikáción a második helyen végzett. Hamilton a Spanyol Nagydíjon ismét második lett Massa mögött. Ezzel az élre állt a pilóták bajnokságában. Hamilton megdöntötte Bruce McLaren rekordját, miszerint ő a legfiatalabb pilóta, aki valaha is vezette a világbajnokságot.
Hamilton a Kanadai Nagydíjon megszerezte F1-es pályafutása első pole pozícióját és első győzelmét is.
Az Európa Nagydíj kvalifikációja során Hamilton a Nürburgringen a jobb első gumiabroncs meghibásodása miatt bukott. Nem tudta befejezni a kvalifikációt, és a tizedik helyről kezdte meg a versenyt. Egy heves esőzés során, amely miatt a versenyt ideiglenesen le kellett állítani, Hamilton kicsúszott egy kavicságyba. Az újraindítás után újra be tudott állni a versenybe. A versenyen elért kilencedik helye volt az első dobogón és pontokon kívüli helyezése.
Hamilton a pole pozícióból nyerte a Magyar Nagydíjat. Először Alonso futotta a leggyorsabb időt, de öt rajthelyes rajtbüntetést kapott, mert a bokszutcában blokkolta Hamiltont; ez az akció megakadályozta, hogy Hamilton megfussa az utolsó kvalifikációs körét. A McLarent is megbüntették, így nem szerzett konstruktőri pontot a versenyen.
Utána Hamilton azt mondta, hogy helyreállt a kapcsolata Alonsóval. Törökországban a második helyre kvalifikálta magát. Hamilton a harmadik helyen futott be. Defektet kapott, és lassan vissza kellett hajtania a boxba. A versenyt az ötödik helyen fejezte be. A bajnoki előnye csökkent.
Alonso az Olasz és a Belga Nagydíjon is legyőzte Hamiltont. Hamilton előnye így már két pont volt a bajnoki címért folytatott versenyben. A Japán Nagydíj megnyerése után 12 pontra nőtt az előnye. A versenyen szakadó esőben Alonso kiesett. A futam után vizsgálatot indítottak a verseny stewardok (hivatalos személyek). Megvizsgálták Hamilton cselekedeteit a biztonsági autó mögött. Sebastian Vettel és Mark Webber is kiesett a versenyből, miközben Hamiltont követték. A verseny stewardok nem találták, hogy bárki bármi szabálysértő dolgot tett volna.
Hamilton szerezte meg a pole pozíciót Kínában. A versenyen száraz és nedves időjárási körülmények között is zajlott. Hamilton feladta a versenyt. Erős gumikopást tapasztalt. Megpróbált a boxba menni. Szélesre futott és a kavicságyba hajtott. Az autója beragadt, Hamilton pedig feljegyezte Forma-1-es pályafutása első kiesését. Hamilton négy pont előnnyel indult a szezon utolsó futamára.
A Brazil Nagydíjon Hamilton csak két bajnoki pontot tudott szerezni, mivel a hetedik helyen ért célba. Hamiltont a rajtnál megelőzte Räikkönen. Az első kanyarban Massa és Räikkönen blokkolta befelé, és kibillentették az egyensúlyából. Hamiltont Alonso előzte meg a 3-as kanyarban. Hamilton a 4. kanyarban megpróbálta újra megelőzni Alonsót. Szélesre futott, és a nyolcadik helyre esett vissza. Aztán a 9. körben kezdődött a probléma. Hamiltonnak váltóproblémája volt. Beragadt a semlegesbe, és nem tudott fokozatot választani. Hamilton visszaállította a beállításokat a kormányán. A sebességváltó újra működni kezdett. 40 másodpercet vesztett, miközben az autója gördült.
A verseny nagy részében Massa vezetett, Räikkönen pedig a második helyen állt. Ha így végződött volna a verseny, Hamilton lett volna a világbajnok. A második boxkiállás során Räikkönen a vezetést Massától. Räikkönen megnyerte a versenyt, és ezzel 2007 Forma-1-es világbajnok lett.
Hamilton négy győzelemmel zárta a szezont, és 109 ponttal a második helyen végzett a pilóták világbajnokságában, megelőzve csapattársát, Fernando Alonsót.
Csapatfeszültségek
Az első jele annak, hogy Hamilton elégedetlen a csapatával, azután jelent meg, hogy Monacóban a második helyen végzett. A verseny utáni kommentárjai azt sugallták, hogy támogató szerepbe kényszerült. Az FIA azt vizsgálta, hogy a McLaren megszegte-e a szabályokat a csapatutasítások érvényesítésével. Az FIA megállapította, hogy a McLaren nem szegett meg semmilyen szabályt. A Magyar Nagydíj kvalifikációja során Alonso feltartotta Hamiltont a boxban. Ez azt eredményezte, hogy Hamilton kihagyott egy utolsó kört, hogy megpróbálja megszerezni a pole pozíciót. Alonsót visszahelyezték a hatodik rajtpozícióba. Ezáltal Hamilton került a pole pozícióba. A McLarent megfosztották a konstruktőri bajnoki pontoktól. Hamilton azt mondta, hogy szerinte Alonso büntetése "elég enyhe volt, ha valami", és csak a konstruktőri pontok elvesztését sajnálja. Az események következtében Hamilton és Alonso kapcsolata átmenetileg megromlott. A páros rövid ideig nem beszélt egymással.
A Japán Nagydíj után Alonso úgy érezte, hogy a versenyfelügyelők ítélete Hamilton javára döntötte el a bajnokságot. Ezt mondta: "Már nem gondolok erre a bajnokságra, ez már a pályán kívül dőlt el. A versenyzői eligazításnak nincs értelme. Azért mész oda, hogy meghallgasd, mit mond Charlie Whiting és a többi hivatalos személy. Huszonegy versenyzőnek van egy véleménye, Charlie-nak és a hivatalos személyeknek egy másik, szóval olyan, mintha egy falnak beszélnénk".
A szezon végeztével Alonso és a McLaren 2007. november 2-án szerződést bontott. Alonso távozásáról mindkét fél megegyezett.
2008-as szezon
2008 januárjában Hamilton új, ötéves szerződést írt alá, hogy a 2012-es szezon végéig maradjon a McLaren-Mercedesnél. A 2008-as szezonban Heikki Kovalainen vezetné a McLaren-Mercedes második autóját.
A 2008-as szezon első versenyén, az AusztrálNagydíjon Hamilton a pole pozícióba kvalifikálta magát, és megnyerte a versenyt. miután pozíciót szerzett. A bahreini versenyen Hamilton egy edzésbaleset során tönkretette az autóját. Egy tartalék futóművet használt, és a harmadik helyet szerezte meg a kvalifikáción. A versenyen Alonso autójának hátuljába ütközött, és a 13. helyen végzett. Spanyolországban ismét a dobogóra állt, ahol a harmadik helyen végzett. Hamilton Törökországban második lett, majd két héttel később megnyerte a Monacói Nagydíjat, amivel ismét a bajnokság élére állt.
Montrealban a pole pozícióba kvalifikálta magát, de a futam során Kimi Räikkönen hátuljának ütközött. A boxutca végén piros lámpa volt. Hamilton nem látta, hogy Räikkönen megállt a lámpánál. Hamilton 10 rajthelyes rajtbüntetést kapott a következő futamra, a Francia Nagydíjra. Hamilton a Brit Nagydíjat nehéz, vizes körülmények között nyerte meg. Ezt nevezték eddigi egyik legjobb teljesítményének. Maga Hamilton a verseny utáni sajtótájékoztatón azt mondta, hogy ez volt a legnehezebb és legjelentősebb győzelme.
A következő, hockenheimi versenyen Hamilton a pole pozícióból indult, és 9 másodperccel nyert.
Hamilton megnyerte a Belga Nagydíjat, de ez a győzelem megkérdőjeleződött. Egy sikánban elhagyta a versenypályát, hogy elkerülje Kimi Räikkönen ütközését. A versenybírók szerint ez tisztességtelen előnyhöz juttatta Hamiltont. A McLaren azt mondta, hogy a figyelőberendezéseik azt mutatták, hogy Hamilton lelassított, hogy Räikkönent átengedje. Hamilton 25 másodperces büntetést kapott. A büntetés miatt a harmadik helyre esett vissza. A McLaren fellebbezett a büntetés ellen az FIA Motorsport Világtanácsnál. A fellebbezést elutasították. A tanács szerint az ügyet nem lehetett elfogadni.
Fujiban Hamilton szerezte meg a pole-t a kvalifikáción. Felipe Massa volt a legközelebbi riválisa a bajnoki címért. Massa csak az ötödik helyre tudta kvalifikálni magát. A verseny kezdetén Kimi Räikkönen jól rajtolt, és megelőzte Hamiltont. Hamilton az első kanyarban szélesre futott. Ez arra kényszerítette a mögötte lévő versenyzőket, hogy letérjenek a pályáról. Hamilton áthajtásos büntetést kapott tettéért. A második körben, amikor Hamilton megpróbálta megelőzni Massát a 10-es kanyarban, Hamilton mellé húzódott, és megmozdult, hogy megelőzze őt. Massa ekkor szélesre szaladt, és mindkét autó összeütközött. Hamilton autója megpördült. Massa áthajtásos büntetést kapott ezért a mozdulatért. Hamilton az utolsó helyre esett vissza. Sikerült a 12. helyen befejeznie a versenyt, de pontot nem szerzett.
A Kínai Nagydíjon Hamilton sokkal gyorsabb volt, mint az összes többi autó az edzéseken. Ő kvalifikálta magát a pole pozícióba. Megnyerte a futamot, és 7 pontos előnnyel vezette a világbajnokságot.
A Brazil Nagydíj volt az év utolsó versenye. Hamiltonnak legalább az ötödik helyen kellett volna végeznie a világbajnokság megnyeréséhez. Egy keményen megvívott verseny után Hamilton az ötödik helyen végzett. A verseny utolsó köreiben elkezdett esni az eső. Sebastian Vettel megelőzte Hamiltont az ötödik helyért.
Massa már megnyerte a versenyt. Hamilton hatodik helyével úgy tűnt, hogy Massa megnyeri a bajnoki címet. Az utolsó körben Vettel és Hamilton is megelőzte Timo Glockot. Glock száraz, Hamilton pedig nedves abroncsokat használt. Ezzel Hamilton visszatért az ötödik helyre. Hamilton előzésével eggyel több pontot szerzett, mint Massa.
Hamilton 2008-ban megnyerte a Forma-1-es világbajnokságot. Ő lett a legfiatalabb pilóta, aki megnyerte a címet, valamint az első fekete versenyző. Damon Hill 1996-os győzelme óta ő az első brit pilóta, aki megnyerte a világbajnokságot.
Faji bántalmazás
2008. február 4-én Hamiltont a katalán Circuit de Catalunya versenypályán a szezon előtti tesztelés során verbálisan kigúnyolták és szidalmazták. Több spanyol néző fekete arcfestéket és fekete parókát viselt. "Hamilton családja [sic]" feliratú pólókat viseltek. Hamilton a spanyol Fernando Alonsóval való rivalizálása miatt vált népszerűtlenné Spanyolországban. Az FIA figyelmeztette a spanyol hatóságokat, hogy ne hagyják, hogy ez a viselkedés folytatódjon. 2008. február 13-án az FIA bejelentette, hogy "Verseny a rasszizmus ellen" kampányt indít.
2009-es szezon
Hamilton a 2009-es szezonnyitó Ausztrál Nagydíjon a 18. helyről rajtolt. Hamilton a harmadik helyen fejezte be a versenyt, miután Jarno Trullit megbüntették. Trulli a biztonsági autó mögött előzte meg Hamiltont. A futamot követően a stewardok meghallgatásra került sor. Hamilton és a McLaren azt mondta a stewardoknak, hogy nem engedték el Trullit. A McLaren rádiókommunikációja bizonyította, hogy ez hazugság volt. Hamiltont kizárták a versenyből, mert "félrevezető bizonyítékokat" szolgáltatott a stewardok meghallgatása során. Később négyszemközt bocsánatot kért az FIA versenyigazgatójától, Charlie Whitingtól a hazugságért.
A következő hat versenyen Hamilton nem teljesített jól. Még háromszor kvalifikálta magát az első tíz körön kívülre, legjobb rajtelsőségét az ötödik hely jelentette. Csak néhány pontot szerzett. A Nürburgringen az ötödik helyre kvalifikálta magát. Az első körben összeütközött Mark Webberrel. Hamilton defektet kapott és megsérült az autója. A 18. helyen ért célba.
Hamilton teljesítménye javult a Hungaroringen. Hamilton a negyedik helyről indult. Egy jó KERS-asszisztált rajtelsőséggel az első kanyarra a második helyre lépett előre. A 13. körben már ő vezette a versenyt. A célban 11,5 másodperccel Räikkönen előtt ért célba. Ez volt Hamilton 10. győzelme pályafutása során, és az első KERS-sel felszerelt autóval. Valenciában Hamilton a szezonban először kvalifikálta magát a pole pozícióba, csapattársa, Heikki Kovalainen pedig a második helyre. A versenyen a szerelők rossz boxkiállása miatt Hamilton elvesztette az első helyet. Ő a második helyen ért célba.
Hamilton a következő két futamon, a Belga és az Olasz Nagydíjon kiesett. Ezzel minden esélye elszállt a címvédésre. Szeptemberben, a Szingapúri Nagydíjon Hamilton megszerezte szezonbeli második győzelmét. A következő két versenyen, a Japán és a Brazil Nagydíjon harmadik lett. Az első (első) Abu-Dzabi Nagydíjon Hamilton a pole pozícióba kvalifikálta magát. A versenyt vezette, de a 20. körben egy hátsó fékprobléma miatt feladta a versenyt. Ez volt az első mechanikai okokból bekövetkezett kiesése a Forma-1-ben.
2010-es szezon
A nehéz 2009-es szezon után Hamilton új kihívásként vágott neki a bajnoki címnek. Bahreinben a harmadik helyen végzett. Ausztráliában Hamilton nem jutott be az első tízbe a kvalifikáción. A versenyt a tizenegyedik helyről kezdte, és a hatodik helyen fejezte be. A verseny végén ütközött Mark Webberrel. Malajziában a McLaren rosszul mérte fel az időjárást a kvalifikáción, és a nedves körülményekhez nem megfelelő gumikon engedte ki Hamiltont. A versenyen a 20. rajtkockából indult, de végül a hatodik helyen ért célba. Hamiltont a futam során figyelmeztetésben részesítették. Négyszer kanyarodott, miközben megpróbálta megtörni Vitalij Petrov aerodinamikai vontatását. Hamilton nem próbálta blokkolni őt. A verseny után tisztázták a szabályokat. Egy versenyző csak egyszer kanyarodhat, még a vontatás megtörése érdekében is.
Sanghajban Hamilton a második helyen végzett csapattársa, Jenson Button mögött. Ez volt a McLaren első 1-2-es helyezése két és fél év óta. Hamilton a Red Bull pilótájával, Sebastian Vettellel keveredett boxutcai incidensbe. Mindkét pilóta megrovást kapott a versenyfelügyelőktől.
Hamilton a harmadik helyre kvalifikálta magát a Spanyol Nagydíjra. A futam vége felé a második helyen haladt Mark Webber mögött. Hamilton már a futam leggyorsabb körét futotta. A futam utolsó előtti körén leszaladt a pályáról és a falnak csapódott. A bal első felfüggesztés tönkrement, Hamilton pedig kiesett a versenyből. A keréktárcsa meghibásodott és tönkretette a gumit, ami miatt Hamilton kiesett az irányítás alól. A 14. helyre sorolták be.
A következő hétvégén Monacóban Hamilton és csapattársa, Jenson Button egy gyémánttal kirakott kormánykerékkel versenyzett. Hamilton kormánykerekére a 2008-as bajnoki címéért a "08" évszám volt gyémántokkal kirakva. Button kormányán a 2009-es bajnoki címéért a "09" évszám volt elhelyezve. Hamilton az ötödik helyre kvalifikálta magát, és az ötödik helyen végzett. A Török Nagydíjra Hamilton a szezon legjobb második helyére kvalifikálta magát. Hamilton a második helyen haladt, amikor Vettel és Webber a 40. körben összeütközött egymással. Ezáltal Hamilton az első helyre került. Jenson Button ekkor a második helyen állt. A futam vége előtt egyszer előzték meg egymást. Hamilton megszerezte első győzelmét a 2010-es szezonban, amivel feljött a harmadik helyre a versenyzői bajnokságban.
Hamilton kvalifikálta magát a pole pozícióba a Kanadai Nagydíjra. A Circuit Gilles Villeneuve pályán rendezett összes F1-es versenyén a pole pozícióból indult. Hamilton megnyerte a versenyt, és átvette a vezetést a pilóták bajnokságában.
Egy nappal a nagydíj után Hamilton visszarepült az Egyesült Királyságba, és Ayrton Senna bajnoki címet nyerő McLaren MP4/4-esét vezette. Hamilton láthatóan izgatott volt, és eluralkodtak rajta az érzelmek. Úgy jellemezte, hogy ez volt "élete egyik legszebb napja". Azt is kijelentette, hogy "kipipálta egyik álmát" azzal, hogy vezethette az autót.
Hamilton a harmadik helyre kvalifikálta magát Valenciában. A verseny elején megelőzte Mark Webbert. A biztonsági autós időszak alatt Hamilton a második biztonsági autós vonal mellett haladt el, körülbelül 0,5 másodperccel azután, hogy a biztonsági autó kilépett a boxba. Hamilton ahelyett, hogy lelassított volna, hogy kövesse a biztonsági autót, megelőzte a biztonsági autót. Fernando Alonso Hamilton mögött volt, és a biztonsági autó mögött kellett maradnia. Alonso a rádión panaszkodott a csapatának. A stewardok kivizsgálták az esetet, és Hamiltont áthajtásos büntetéssel sújtották. A büntetés kihirdetése előtt 20 percet kellett várni. Ez lehetővé tette Hamilton számára, hogy nagy lemaradást építsen ki a mögötte lévő autóval szemben. Amikor letöltötte a büntetését, a második helyen maradt. Ez Alonsót és a Ferrari-csapatot is őrületbe kergette. Hamilton ekkor "savanyú szőlővel" vádolta Alonsót. Hamilton és Alonso kibékültek a következő futam előtt. Hamilton a második helyen végzett, és megőrizte vezető helyét a pilóták bajnokságában.
Silverstone-ban a második, Hockenheimben pedig a negyedik helyen végzett. Magyarországon Hamilton az ötödik helyre kvalifikálta magát, de a futam közben motorproblémák miatt kiesett. Ezzel elvesztette a bajnoki vezetést Webberrel szemben.
Az egy hónapos nyári szünet után Hamilton megnyerte a Belga Nagydíjat, és a leggyorsabb kört futotta. Ezzel a bajnokságban az első helyre lépett előre. Az Olasz és a Szingapúri Nagydíjon azonban egyaránt feladta a versenyt. Ezzel a harmadik helyre került.
