Hannah Mills nahm an drei Olympischen Spielen teil. 2012 wurde sie in London gemeinsam mit Saskia Clark in der 470er Jolle mit insgesamt 51 Punkten hinter dem neuseeländischen und vor dem niederländischen Boot Zweite und sicherte sich damit die Silbermedaille. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gelang ihr mit Clark ein erneuter Medaillengewinn, als sie mit 44 Punkten dieses Mal vor den Neuseeländerinnen Jo Aleh und Olivia Powrie Olympiasiegerin wurde. Fünf Jahre später wurde Mills mit Eilidh McIntyre bei den 2021 ausgetragenen Olympischen Spielen 2020 in Tokio ein weiteres Mal Olympiasiegerin. Mit 38 Gesamtpunkten gewannen sie ihre Konkurrenz in der 470er Jolle vor den Polinnen Agnieszka Skrzypulec und Jolanta Ogar sowie Camille Lecointre und Aloïse Retornaz aus Frankreich. Während der Eröffnungsfeier war sie gemeinsam mit dem Ruderer Mohamed Sbihi Fahnenträgerin ihrer Nation.