2015 blieben Hamilton und Rosberg bei Mercedes. Hamilton verzichtet auf die Verwendung der Startnummer 1, die dem Weltmeister zusteht, und tritt weiterhin mit der Nummer 44 an. Den Saisonauftakt in Australien gewann er von der Pole-Position startend. Nach einem zweiten Platz beim zweiten Rennen in Malaysia erzielte Hamilton in China und Bahrain weitere Siege. Beim fünften Rennen in Spanien wurde Hamilton Zweiter. Im folgenden Rennen in Monaco führte Hamilton das Rennen von der Pole-Position startend dominant an. In einer Safety-Car-Phase traf sein Team eine Fehlentscheidung und holte ihn zu einem weiteren Stopp an die Box. Dadurch verlor Hamilton die Führung und fiel auf den dritten Platz zurück. Trotz frischerer Reifen war er nicht in der Lage, den vor ihm fahrenden Vettel auf dem engen Straßenkurs zu überholen. Zwei Wochen später gewann Hamilton den Großen Preis von Kanada. In Österreich wurde er Zweiter. Anschließend gewann er sein Heimrennen in Großbritannien. Nach einem sechsten Platz in Ungarn gewann Hamilton den Großen Preis von Belgien und den Großen Preis von Italien. Beim Großen Preis von Singapur qualifizierte sich Hamilton zum ersten Mal in dieser Saison nicht für die erste Startreihe und ging vom fünften Platz ins Rennen, in dem er mit einem technischen Defekt ausfiel. Eine Woche später in Japan übernahm Hamilton die Führung beim Start und gewann das Rennen. Auch den darauf folgenden Großen Preis von Russland gewann er. Mit einem weiteren Sieg beim anschließenden Großen Preis der USA sicherte sich Hamilton im viertletzten Saisonrennen seinen dritten Gewinn des Formel-1-Fahrerweltmeistertitels. Nach seinem Titelgewinn wurde Hamilton Zweiter in Mexiko, Brasilien und Abu Dhabi, während Rosberg die Rennen gewann. Hamilton lag in der Meisterschaft schließlich mit 381 zu 322 Punkten vor Rosberg.