Hamilton ha suonato l’armonica in “Ridin’ Home” nel debutto di 1972 Really 1977 in televisione ed è stata seguita da un ruolo importante come Lisa Rogers nella soap opera di prima serata Secrets of Midland Heights (dicembre 1979/gennaio 1980). Il suo debutto sul grande schermo fu nel thriller TAG: The Assassination Game (1982) e come risultato, fu elencata come uno dei dodici “Nuovi attori promettenti del 1982” in Screen World, Vol. 34 di John Willis. Ha anche recitato nel film della CBS Country Gold insieme a Loni Anderson e Earl Holliman.
Hamilton ha interpretato il ruolo principale in Children of the Corn (1984), basato sul racconto horror di Stephen King. Il film, che guadagnò 14 milioni di dollari al botteghino, fu stroncato dalla critica. Il ruolo successivo di Hamilton fu in The Terminator (1984), al fianco di Michael Biehn. Il film fu inaspettatamente un enorme successo commerciale e di critica. Dopo The Terminator, Hamilton recitò in Black Moon Rising, un thriller d’azione con Tommy Lee Jones. Poi è tornata in televisione come guest-star nella serie di gialli Murder, She Wrote, ottenendo recensioni favorevoli. Hamilton ha poi recitato al fianco di Ron Perlman nella serie televisiva La bella e la bestia. La serie è stata acclamata dalla critica, e ha ricevuto nomination agli Emmy Award e ai Golden Globe Award. Hamilton lasciò la serie nel 1989, che terminò nel 1990.
Hamilton tornò sul grande schermo con Michael Caine in Mr. Destiny (1990) e con Terminator 2: Judgment Day (1991), il sequel di The Terminator. Quest’ultimo fu un successo al botteghino, incassando oltre 500 milioni di dollari, più di qualsiasi altro film di quell’anno. Hamilton si sottopose a un intenso allenamento fisico per sottolineare la trasformazione del personaggio rispetto al primo film. Sua sorella gemella identica, Leslie Hamilton era la controfigura di Linda in Terminator 2. La Hamilton ha ricevuto un MTV Movie Awards per il suo ruolo nel film come miglior performance femminile e come donna più desiderabile. Ha ripreso il personaggio di Sarah Connor per l’attrazione del parco a tema T2 3-D. Dopo il successo della serie Terminator, ha ospitato il Saturday Night Live.
È tornata in televisione in A Mother’s Prayer (1995) interpretando una madre che ha perso il marito e a cui viene diagnosticato l’AIDS. Per la sua performance nel film, che ha come co-protagonisti Kate Nelligan e Bruce Dern, la Hamilton ha ricevuto un CableACE Award per la migliore interpretazione drammatica ed è stata nominata per un altro Golden Globe Award nel 1996. Lo stesso anno, la Hamilton ha girato due film che sono usciti a una settimana di distanza nel 1997: Shadow Conspiracy con Charlie Sheen e Dante’s Peak con Pierce Brosnan. Shadow Conspiracy fallì al botteghino, ma Dante’s Peak incassò 180 milioni di dollari e fu uno dei maggiori successi commerciali dell’anno. Ha ricevuto un Blockbuster Entertainment Award per la performance femminile in Dante’s Peak.
Hamilton da allora è apparsa nelle serie televisive Frasier (episodio 4 “Odd Man Out” nel ruolo di Laura) e According to Jim e ha fatto altri film per la TV, tra cui On the Line, Robots Rising, Rescuers: Stories of Courage: Two Couples, Point Last Seen e The Color of Courage. La Hamilton e il suo co-protagonista de La Bella e la Bestia Ron Perlman si sono riuniti nel dramma post-Vietnam Missing in America (2005).
Nel 2009, è tornata nel ruolo di Sarah Connor in Terminator Salvation, solo in voce fuori campo. Nel 2010, si è unita al cast di Chuck nel ruolo ricorrente di Mary Elizabeth Bartowski, un’agente della CIA e madre scomparsa da tempo di Chuck ed Ellie. È anche apparsa come guest star nella serie televisiva via cavo Weeds di Showtime come fornitore di marijuana per la protagonista della serie (Mary-Louise Parker). Nel novembre 2011, ha narrato il documentario horror Chiller The Future of Fear.
Nel 2013, Hamilton è apparsa come Acacia, una valchiria, in “Delinquents”, un episodio della terza stagione della serie televisiva Lost Girl, un ruolo che avrebbe ripreso in due episodi successivi, “End of a Line” nella quarta stagione, e “Sweet Valkyrie High” nella quinta. Successivamente è apparsa in un ruolo ricorrente nella serie Syfy Defiance, a partire dalla seconda stagione di quello show. Nel 2019, ha ripreso il suo ruolo di Sarah Connor in Terminator: Dark Fate, il suo primo ruolo da protagonista come il personaggio dal 1991, e ha anche doppiato il personaggio nel videogioco Gears 5.