W sezonie 2009 doszło do zmiany przepisów. Do Formuły 1 powróciły opony typu slick a aerodynamika bolidów została ograniczona. W pierwszych dziewięciu wyścigach zdobył 11 punktów. Podczas rozpoczynającego sezon Grand Prix Australii został wykluczony z wyników, ponieważ wprowadził sędziów w błąd przy wyjaśnianiu kontrowersyjnego manewru wyprzedzania Jarna Trullego pod koniec wyścigu. Podczas Grand Prix Wielkiej Brytanii zajął 16. miejsce. Hamilton odniósł zwycięstwo w Grand Prix Węgier. Był to pierwszy triumf samochodu wyposażonego w system KERS, sprawiającego w tamtym sezonie potężne problemy zespołom, które zdecydowały się zainstalować go w samochodach. Pierwsze symptomy znaczącej poprawy formy McLarena pojawiły się już dwa tygodnie wcześniej, podczas Grand Prix Niemiec, gdzie Hamilton startował z piątego miejsca, ale w pierwszym zakręcie w trakcie walki z Markiem Webberem wyjechał za szeroko i przebił oponę. Hamilton odniósł jeszcze jedno zwycięstwo podczas Grand Prix Singapuru. Nie ukończył wyścigów w wyniku karambolu w Belgii, wypadku we Włoszech i awarii hamulców w ostatnim wyścigu w Abu Zabi. W sumie mistrzostwa zakończył na piątym miejscu z 49 punktami, pięciokrotnie zająwszy miejsce na podium i czterokrotnie zdobywszy pole position. Po odejściu z zespołu Heikkiego Kovalainena nowym partnerem zespołowym Hamiltona został mistrz świata z sezonu 2009, Brytyjczyk Jenson Button.