Hamilton spielte die Mundharmonika bei „Ridin‘ Home“ auf dem Fernsehdebüt von 1972. Es folgte eine Hauptrolle als Lisa Rogers in der Prime-Time-Soap-Opera „Secrets of Midland Heights“ (Dezember 1979/Januar 1980). Ihr Debüt auf der großen Leinwand gab sie in dem Thriller TAG: The Assassination Game (1982) und wurde daraufhin in John Willis‘ Screen World, Vol. 34, als eine von zwölf „Promising New Actors of 1982“ aufgeführt. Außerdem spielte sie in dem CBS-Fernsehfilm Country Gold an der Seite von Loni Anderson und Earl Holliman.
Hamilton spielte die Hauptrolle in Children of the Corn (1984), basierend auf der Horror-Kurzgeschichte von Stephen King. Der Film, der 14 Millionen Dollar an den Kinokassen einspielte, wurde von den Kritikern verrissen. Hamiltons nächste Rolle war in The Terminator (1984), gegenüber Michael Biehn. Der Film war ein unerwartet großer kommerzieller und kritischer Erfolg. Nach The Terminator spielte Hamilton die Hauptrolle in Black Moon Rising, einem Action-Thriller mit Tommy Lee Jones. Danach kehrte sie zum Fernsehen zurück und spielte eine Gastrolle in der Krimiserie Murder, She Wrote, die gute Kritiken erhielt. Als nächstes spielte Hamilton gegenüber Ron Perlman in der Fernsehserie Beauty and the Beast. Die Serie wurde von der Kritik gelobt und sie erhielt Nominierungen für den Emmy Award und den Golden Globe Award. Hamilton verließ die Serie 1989 und sie endete 1990.
Hamilton kehrte auf die große Leinwand zurück mit Michael Caine in Mr. Destiny (1990) und mit Terminator 2: Judgment Day (1991), der Fortsetzung von The Terminator. Letzterer war ein Riesenerfolg an den Kinokassen und spielte über 500 Millionen Dollar ein, mehr als jeder andere Film des Jahres. Hamilton unterzog sich einem intensiven körperlichen Training, um die Verwandlung der Figur aus dem ersten Film zu unterstreichen. Ihre eineiige Zwillingsschwester, Leslie Hamilton, war Lindas Double in Terminator 2. Hamilton erhielt für ihre Rolle in dem Film einen MTV Movie Award für die beste weibliche Leistung und die begehrenswerteste Frau. Sie verkörperte die Figur Sarah Connor erneut für die Themenpark-Attraktion T2 3-D. Nach dem Erfolg der Terminator-Serie moderierte sie Saturday Night Live.
In A Mother’s Prayer (1995) kehrte sie ins Fernsehen zurück und spielte eine Mutter, die ihren Mann verloren hat und bei der AIDS diagnostiziert wird. Für ihre Leistung in dem Film, in dem Kate Nelligan und Bruce Dern mitspielten, wurde Hamilton mit einem CableACE Award für die beste dramatische Leistung ausgezeichnet und 1996 für einen weiteren Golden Globe Award nominiert. Im selben Jahr drehte Hamilton zwei Kinofilme, die 1997 im Abstand von einer Woche veröffentlicht wurden: Shadow Conspiracy mit Charlie Sheen und Dante’s Peak mit Pierce Brosnan. Shadow Conspiracy floppte an den Kinokassen, aber Dante’s Peak spielte $180 Millionen ein und war einer der größten kommerziellen Hits des Jahres. Für ihre weibliche Leistung in Dante’s Peak erhielt sie einen Blockbuster Entertainment Award.
Hamilton ist seitdem in den Fernsehserien Frasier (Staffel 4 Episode „Odd Man Out“ als Laura) und According to Jim zu sehen und hat weitere Fernsehfilme gedreht, darunter On the Line, Robots Rising, Rescuers: Stories of Courage: Zwei Paare, Point Last Seen und The Color of Courage. Hamilton und ihr Beauty and the Beast Co-Star Ron Perlman kamen in dem Post-Vietnam-Kriegsdrama Missing in America (2005) wieder zusammen.
Im Jahr 2009 kehrte sie als Sarah Connor in Terminator Salvation zurück, allerdings nur als Synchronsprecherin. Im Jahr 2010 schloss sie sich der Besetzung von Chuck in der wiederkehrenden Gastrolle der Mary Elizabeth Bartowski an, einer CIA-Agentin und lange vermissten Mutter von Chuck und Ellie. Sie trat auch als Gaststar in der Showtime-Kabelfernsehserie Weeds als Marihuana-Lieferantin für die Hauptfigur der Serie (Mary-Louise Parker) auf. Im November 2011 erzählte sie die Chiller The Future of Fear Horrordokumentation.
Im Jahr 2013 erschien Hamilton als Acacia, eine Walküre, in „Delinquents“, einer Episode der dritten Staffel der TV-Serie Lost Girl, eine Rolle, die sie in zwei weiteren Episoden, „End of a Line“ in der vierten Staffel und „Sweet Valkyrie High“ in der fünften Staffel, wieder aufnehmen würde. Anschließend erschien sie in einer wiederkehrenden Rolle in der Syfy-Serie Defiance, beginnend in der zweiten Staffel der Serie. Im Jahr 2019 spielte sie erneut ihre Rolle als Sarah Connor in Terminator: Dark Fate, Ihre erste Hauptrolle als der Charakter seit 1991, und auch geäußert, den Charakter in dem video-Spiel Gears 5.