I 1908 blei Hamilton oppnevnt til å delta i Illinois' nyetablerte undersøkelseskommisjon for yrkesrelaterte sjukdommer, den første i sitt slag i USA. Det neste tiåret jobba hun intenst på området med hovedvekt på toksikologi. Hun var en pioner innen epidemiologi, der hun benytta seg mye av det som blir kalt «skosåle-metoden», der en går fra dør til dør (og sliter skosåler) og intervjuer folk som har vært i risikosonen for en aktuell lidelse. I en større undersøkelse om blyskader klarte Hamilton og medarbeiderne å identifisere 77 industriprosesser som benytta bly og 578 sikre ofre for blyforgiftning. Kombinert med forbedra laboratorieundersøkelser kunne hun presentere svært overbevisende resultater, noe som gav støtet til viktige reformer innen yrkeshelse.