Nel 2012 interpreta il principe buono nell'adattamento cinematografico di "Biancaneve" con Julia Roberts e Lily Collins. L'anno successivo è protagonista, insieme con Johnny Depp, di "The Lone Ranger". Nel 2015 ha un cammeo nel film "Entourage", in cui interpreta una versione fittizia di sé stesso, ed è protagonista con Henry Cavill e Alicia Vikander di "Operazione U.N.C.L.E.", diretto da Guy Ritchie. Nel 2016 copre il ruolo di Mike Stevens, il soldato protagonista di "Mine", film diretto da Fabio Guaglione e Fabio Resinaro, e recita anche in "Animali notturni" di Tom Ford. Nel 2017 doppia il personaggio di Jackson Storm nel film d'animazione Pixar "Cars 3". Lo stesso anno recita in "Final Portrait - L'arte di essere amici", diretto da Stanley Tucci, e interpreta uno dei protagonisti nell'adattamento cinematografico del romanzo "Chiamami col tuo nome", per la regia di Luca Guadagnino. Per quest'ultimo ruolo, Hammer riceve la sua prima candidatura ai Golden Globe come miglior attore non protagonista. Ne ha inoltre registrato l'audiobook, pubblicato da Macmillan Publishers.