Hamilton var 0,029 sekunder snabbare än lagkamrat Valtteri Bottas, och en andra klar av Ferrari Kimi Raikkonen och Sebastian Vettel i tredje och fjärde.
Red Bulls Max Verstappen var femte, bara 0.250seks bakom Raikkonen.
McLaren-Hondas dystra årstid av otillförlitlighet fortsatte, och Fernando Alonso sändes in i en snurr av ett stort motorbortfall på sitt första varv.
Alonso spunnet till ett stopp i ett moln av rök med olja strömmande från under motorn efter att det misslyckades att komma ut ur Turn Two på hans första varv. Spanjoren lämnade sedan banan för att gå tillbaka till sitt hotell. Honda skyllde misslyckandet på "en oljeläcka" och sade Alonso skulle vara tillbaka ut med en ny power-enhet i andra praktiken.
Alonso postade en tweet som säger: "Hålla kroppen aktiv", tillsammans med en emoji med en halo och ett fotografi av sig själv med sin tränare spelar tennis.
Honda har en liten uppgradering på motorn för denna helg men sade den han använde hade tidigare kört i Australien och Kina och i Bahrain till kvalificering.
I härlig vårsol och under en vacker blå himmel norr om Barcelona, tillbringade teamen sessionen med att utvärdera de uppgraderingar de har fört med sig till detta lopp.
Alla lag har nya aerodynamiska delar, som är traditionellt vid denna första europeiska race för säsongen, och de mest slående är på Mercedes.
Silverbilarna har en smalare nos, under vilken är monterad en unik ny snöplog stil aerodynamisk formning anordning, samt nya delar hela vägen längs sidan av bilen.
Hittills verkar de fungera bra, och Hamilton och Bottas bytte tider under hela sessionen, sällan separerade med mer än några hundradelar av en sekund.
Hamilton anlände till Spanien fast besluten att göra gottgörelse för en dålig helg för två veckor sedan i Ryssland, där han slutade fjärde och Bottas vann.
Bottas har däremot gjort klart att hans fokus har flyttats till att försöka vinna varje lopp efter en upp-och-ner start på säsongen där han har varit omväxlande imponerande - med sin första seger i Ryssland och första stången i Bahrain - och inte, som när han snurrade bakom säkerhetsbilen under den kinesiska Grand Prix.
De två männen är separerade med 10 poäng i mästerskapet, med Hamilton framåt och 13 poäng bakom Vettel.
Ferrari har också en serie aerodynamiska förändringar på sin bil, liksom Red Bull, som är hoppfulla sin uppgradering kommer att stänga en sekund gap som har separerat dem från front-runners hittills den här säsongen.
Det är för tidigt att dra några slutsatser om den relativa takten, inte minst för att Vettels session stördes av ett växellådsproblem på depån rakt.
Han lyckades dra sig in i depån utgång, varifrån bilen återfanns och Ferrari mekaniken kunde reparera bilen och skicka ut honom igen för att ställa in sin snabbaste tid.
Lewis Hamilton satte takten som Mercedes imponerade i första övningen i spanska Grand Prix.