W sezonie 2008 jego partnerem w zespole był Heikki Kovalainen. Podczas inauguracji sezonu na torze Albert Park Hamilton odniósł zwycięstwo, jednak kolejne wyścigi przyniosły słabsze rezultaty – w Malezji dojechał do mety na piątej pozycji, natomiast podczas GP Bahrajnu popełnił błąd na starcie i wyścig zakończył na 13. miejscu. Drugie zwycięstwo odniósł w deszczowych warunkach w Grand Prix Monako. Dwa tygodnie później, podczas GP Kanady wyeliminował siebie i Kimiego Räikkönena z wyścigu podczas kolizji w alei serwisowej, za co ukarany został cofnięciem o 10 pozycji na starcie do GP Francji. Pozostałe z dotychczasowych czterech zwycięstw odniósł w kolejnych dwóch Grand Prix – w swoim domowym wyścigu w Wielkiej Brytanii i w Niemczech. Podczas Grand Prix Belgii dojechał do mety na pierwszej pozycji, jednak już po wyścigu została na niego nałożona 25-sekundowa kara za ścięcie szykany podczas manewru wyprzedzania, przez co stracił zwycięstwo na rzecz Felipe Massy i został sklasyfikowany na 3. miejscu. 2 listopada 2008 po znakomitym wyścigu o GP Brazylii zapewnił sobie pierwszy tytuł mistrzowski. W ostatnim wyścigu sezonu 2008 Lewis Hamilton zajął 5. miejsce w Grand Prix Brazylii 2008, co dało mu zwycięstwo w klasyfikacji generalnej oraz tytuł Mistrza Świata Formuły 1 2008. Wszystko rozstrzygnęło się na ostatnich metrach, gdy Hamilton wyprzedził Timo Glocka i awansował z 6. miejsca na 5. pozycję, co dało mu 4 punkty, dzięki którym wygrał o 1 punkt w klasyfikacji generalnej przed Felipe Massą. Został tym samym najmłodszym mistrzem F1 w historii, rekord ten pobił jednak dwa lata później Sebastian Vettel.