Hamilton’s playin' the harmonica on „Ridin' Home” na 1972’s Really 1977 debiut był w telewizji i nastąpił po głównej roli jako Lisa Rogers w prime-time soap opera Secrets of Midland Heights (grudzień 1979 / styczeń 1980). Na dużym ekranie zadebiutowała w thrillerze TAG: The Assassination Game (1982), w wyniku czego znalazła się na liście dwunastu „Obiecujących nowych aktorów 1982 roku” w Screen World Johna Willisa, Vol. 34. Wystąpiła również w filmie CBS made-for-TV Country Gold u boku Loni Anderson i Earla Hollimana.
Hamilton zagrała główną rolę w filmie Children of the Corn (1984), opartym na opowiadaniu grozy Stephena Kinga. Film, który zarobił 14 milionów dolarów w kasie, został odrzucony przez krytyków. Kolejną rolą Hamiltona była rola w Terminatorze (1984), u boku Michaela Biehna. Film okazał się niespodziewanie wielkim sukcesem komercyjnym i krytycznym. Po Terminatorze, Hamilton zagrała w Black Moon Rising, thrillerze akcji z Tommym Lee Jonesem. Następnie powróciła do telewizji jako gościnna gwiazda w serialu Murder, She Wrote, zbierając pochlebne recenzje. Następnie Hamilton zagrała u boku Rona Perlmana w serialu telewizyjnym Beauty and the Beast. Serial cieszył się uznaniem krytyków, a ona sama otrzymała nominacje do nagród Emmy i Złotego Globu. Hamilton opuściła serial w 1989 roku i zakończył się on w 1990 roku.
Hamilton powróciła na duży ekran u boku Michaela Caine’a w filmie Mr. Destiny (1990) oraz w Terminatorze 2: Dzień sądu (1991), sequelu Terminatora. Ten ostatni okazał się hitem kasowym, przynosząc ponad 500 milionów dolarów, więcej niż jakikolwiek inny film tego roku. Hamilton przeszła intensywny trening fizyczny, aby podkreślić transformację postaci z pierwszego filmu. Jej identyczna siostra bliźniaczka, Leslie Hamilton, była sobowtórem Lindy w Terminatorze 2. Hamilton otrzymała za swoją rolę w filmie nagrodę MTV Movie Awards w kategoriach Best Female Performance i Most Desirable Female. Ponownie wcieliła się w postać Sarah Connor w atrakcji parku rozrywki T2 3-D. Po sukcesie serii Terminator, była gospodarzem Saturday Night Live.
Powróciła do telewizji w filmie A Mother’s Prayer (1995), grając matkę, która straciła męża i została zdiagnozowana z AIDS. Za występ w tym filmie, w którym zagrali również Kate Nelligan i Bruce Dern, Hamilton otrzymała nagrodę CableACE Award za najlepszą rolę dramatyczną i nominację do kolejnego Złotego Globu w 1996 roku. W tym samym roku Hamilton nakręciła dwa filmy, które ukazały się w odstępie tygodnia w 1997 roku: Shadow Conspiracy z Charliem Sheenem i Dante’s Peak z Piercem Brosnanem. Shadow Conspiracy okazał się klapą w kasie, ale Dante’s Peak zarobił 180 milionów dolarów i był jednym z największych komercyjnych hitów roku. Otrzymała Blockbuster Entertainment Award za kobiecy występ w Dante’s Peak.
Hamilton od tego czasu pojawiła się w serialach telewizyjnych Frasier (odcinek 4 sezonu „Odd Man Out” jako Laura) i According to Jim i zrobiła więcej filmów telewizyjnych, w tym On the Line, Robots Rising, Rescuers: Stories of Courage: Dwie pary, Point Last Seen i The Color of Courage. Hamilton i jej partner z Pięknej i Bestii Ron Perlman ponownie wystąpili w dramacie wojennym Missing in America (2005).
W 2009 roku powróciła jako Sarah Connor w Terminator Salvation, tylko w wersji głosowej. W 2010 roku dołączyła do obsady serialu Chuck w powracającej roli Mary Elizabeth Bartowski, agentki CIA i matki Chucka i Ellie. Pojawiła się również gościnnie w serialu telewizji kablowej Showtime Weeds jako dostawca marihuany dla głównej bohaterki serialu (Mary-Louise Parker). W listopadzie 2011 roku narratorka dokumentu o horrorze Chiller The Future of Fear.
W 2013 roku Hamilton pojawiła się jako Acacia, Valkyrie, w „Delinquents”, odcinku trzeciego sezonu serialu telewizyjnego Zaginiona dziewczyna, rola, którą powtórzyłaby w dwóch kolejnych odcinkach, „End of a Line” w czwartym sezonie i „Sweet Valkyrie High” w piątym. Następnie pojawiła się w powracającej roli w serialu Syfy Defiance, począwszy od drugiego sezonu tego serialu. W 2019 roku ponownie wcieliła się w rolę Sarah Connor w Terminatorze: Mroczny los, jej pierwsza główna rola jako postać od 1991 roku, a także głosowała postać w grze wideo Gears 5.
.