Мать Хэмилтона, Кармен Ларбалестир (сейчас Кармен Локхарт), белая британка. Отец, Энтони Хэмилтон, — сын чернокожего эмигранта из Гренады.

Родители дали имя Льюису в честь американского легкоатлета Карла Льюиса, выигравшего три золота на чемпионате мира 1983 года и четыре золота на Олимпийских играх 1984 года.

Родители Хэмилтона развелись, когда ему было 2 года, и он жил со своей матерью и сводными сёстрами Николой и Самантой до того момента, как ему исполнилось двенадцать, когда он начал жить со своим отцом, мачехой Линдой и единокровным братом Николасом (англ.)русск., который болен ДЦП. В начале 2011 года Николас подписал контракт с командой «Total Control Racing», тем самым начав свою гоночную карьеру в британском кубке Рено Клио