Hamilton joue de l’harmonica sur « Ridin’ Home » sur 1972 Vraiment 1977, ses débuts se font à la télévision et sont suivis d’un rôle majeur, celui de Lisa Rogers, dans le feuilleton en prime-time Secrets of Midland Heights (décembre 1979/janvier 1980). Elle a fait ses débuts sur grand écran dans le thriller TAG : The Assassination Game (1982), ce qui lui a valu de figurer parmi les douze « nouveaux acteurs prometteurs de 1982 » dans le Screen World, Vol. 34, de John Willis. Elle a également joué dans le téléfilm Country Gold de CBS aux côtés de Loni Anderson et Earl Holliman.
Hamilton a joué le rôle principal dans Children of the Corn (1984), basé sur la nouvelle d’horreur de Stephen King. Le film, qui a fait 14 millions de dollars au box-office, a été encensé par les critiques. Le rôle suivant de Hamilton était dans Terminator (1984), aux côtés de Michael Biehn. Le film a connu un succès commercial et critique inattendu. Après Terminator, Hamilton a joué dans Black Moon Rising, un thriller d’action avec Tommy Lee Jones. Elle revient ensuite à la télévision en tant que guest-star dans la série policière Murder, She Wrote, qui obtient des critiques favorables. Hamilton a ensuite joué aux côtés de Ron Perlman dans la série télévisée La Belle et la Bête. La série est acclamée par la critique et elle est nominée aux Emmy Awards et aux Golden Globes. Hamilton a quitté la série en 1989 et celle-ci s’est terminée en 1990.
Hamilton est revenue au grand écran avec Michael Caine dans Mr. Destiny (1990) et avec Terminator 2 : Judgment Day (1991), la suite de The Terminator. Ce dernier a fait un tabac au box-office, rapportant plus de 500 millions de dollars, soit plus que tout autre film de cette année-là. Hamilton a subi un entraînement physique intense pour souligner la transformation du personnage depuis le premier film. Sa sœur jumelle identique, Leslie Hamilton, était la doublure de Linda dans Terminator 2. Hamilton a reçu un MTV Movie Awards pour son rôle dans le film pour la meilleure performance féminine et la femme la plus désirable. Elle a repris le personnage de Sarah Connor pour l’attraction du parc à thème T2 3-D. Après le succès de la série Terminator, elle a animé le Saturday Night Live.
Elle est revenue à la télévision dans A Mother’s Prayer (1995) en jouant le rôle d’une mère qui a perdu son mari et à qui on diagnostique le sida. Pour sa performance dans ce film, qui mettait en vedette Kate Nelligan et Bruce Dern, Hamilton a reçu un CableACE Award pour la meilleure performance dramatique et a été nommée pour un autre Golden Globe Award en 1996. La même année, Hamilton a tourné deux films qui sont sortis à une semaine d’intervalle en 1997 : Shadow Conspiracy avec Charlie Sheen et Dante’s Peak avec Pierce Brosnan. Shadow Conspiracy a fait un flop au box-office, mais Dante’s Peak a rapporté 180 millions de dollars et a été l’un des plus gros succès commerciaux de l’année. Elle a reçu un Blockbuster Entertainment Award pour sa performance féminine dans Dante’s Peak.
Hamilton est depuis apparue dans les séries télévisées Frasier (épisode de la saison 4 « Odd Man Out » dans le rôle de Laura) et According to Jim et a fait plus de téléfilms, notamment On the Line, Robots Rising, Rescuers : Stories of Courage : Two Couples, Point Last Seen et The Color of Courage. Hamilton et son covedette de La Belle et la Bête, Ron Perlman, se sont retrouvés dans le drame de la guerre post-Vietnam Missing in America (2005).
En 2009, elle a repris le rôle de Sarah Connor dans Terminator Salvation, en voix off uniquement. En 2010, elle rejoint le casting de Chuck dans le rôle d’invitée récurrente de Mary Elizabeth Bartowski, agent de la CIA et mère disparue depuis longtemps de Chuck et Ellie. Elle est également apparue en tant que guest star dans la série télévisée Weeds de Showtime, dans le rôle du fournisseur de marijuana du personnage principal de la série (Mary-Louise Parker). En novembre 2011, elle a fait la narration du documentaire d’horreur Chiller The Future of Fear.
En 2013, Hamilton est apparue dans le rôle d’Acacia, une Valkyrie, dans « Delinquents », un épisode de la troisième saison de la série télévisée Lost Girl, un rôle qu’elle reprendra dans deux épisodes suivants, « End of a Line » dans la quatrième saison, et « Sweet Valkyrie High » dans la cinquième. Elle est ensuite apparue dans un rôle récurrent dans la série Syfy Defiance, à partir de la deuxième saison de cette série. En 2019, elle a repris son rôle de Sarah Connor dans Terminator : Dark Fate, son premier rôle principal dans ce personnage depuis 1991, et a également prêté sa voix au personnage dans le jeu vidéo Gears 5.
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