Hamilton startet sesongen med å ta en 3.-plass under Bahrains Grand Prix. I Australia lå han an til å kunne kjempe om seieren mot den nye lagkameraten Jenson Button og Robert Kubica, men han ble truffet bakfra av Mark Webber under et forsøk på å kjøre forbi Fernando Alonso og endte på en 6.-plass. Hamilton tok sin andre pallplass med en 3.-plass i Kina. Sesongens første poleposition og seier tok Hamilton i Canada, og han fulgte denne opp med seier nummer to i Tyrkia etter at Red Bull-førerne Sebastian Vettel og Mark Webber kjørte i hverandre. Han tok to 2.-plasser i Valencia under Europas Grand Prix og på hjemmebane i Storbritannia, og en ny seier under det regnfylte løpet i Belgia. Dette ga han ledelsen i førermesterskapet med seks løp igjen av sesongen, men etter to brutte løp i Italia og Singapore og en femteplass i Japan var han falt ned til fjerdeplass. I Sør-Korea kom Hamilton på andreplass, og tok en fjerdeplass i Brasil. I sesongens siste løp i Abu Dhabi kom Hamilton på andreplass bak Vettel, som med den seieren vant førermesterskapet og slo Hamiltons rekord som den yngste Formel 1-mesteren noensinne.