Son père était attaché de presse à l'ambassade de Grande-Bretagne à Paris, et c'est dans cette ville que Guy Hamilton passa les huit premières années de sa vie. Il commence sa carrière au cinéma en 1939 aux studios de La Victorine à Nice, comme assistant-réalisateur de
Julien Duvivier sur le tournage d'Untel père et fils.
En 1940, il part s'installer à Londres, où il devient monteur aux actualités Paramount. Il est mobilisé dans la Royal Navy durant la guerre, et une fois celle-ci terminé, il l'assistant-réalisateur de cinéastes déjà établis, comme Alberto Cavalcanti,
Sidney Gilliat, et surtout Carol Reed avec qui il collaborera sur le tournage de Première Désillusion (The Fallen Idol, 1948), Le Troisième homme (The Third Man, 1949) et Le Banni des îles (Outcast of the Islands, 1952).
En 1952, il est assistant de
John Huston sur le tournage de L'Odyssée de l'African Queen (The African Queen), puis il passe lui-même à la mise en scène avec L'Assassin a de l'humour (The Ringer, 1952). Suivent les films Un inspecteur vous demande (An Inspector Calls, 1954) et
Les Indomptables de Colditz (The Colditz Story, 1955).
Grâce à ses compétences et à la réputation qu'il s'est acquise sur ces tournages, il est engagé pour tourner, en alternance avec
Terence Young, les aventures de l'espion amateur de Martini dry avec une olive s'il vous plaît : James Bond. Il en signera quatre, en commençant par Goldfinger, sorti en 1964, et qui est considéré comme l'un des épisodes les plus réussis de la série. Les trois autres sont Les Diamants sont éternels (Diamonds Are Forever, 1971) -- dernier James Bond interprété par Sean Connery avant qu'il ne reprenne le rôle, en 1983, dans
Jamais plus jamais --, Vivre et laisser mourir (Live and Let Die, 1973) -- premier James Bond de
Roger Moore --, et enfin L'Homme au pistolet d'or (The Man with the Golden Gun, 1974) -- également avec Moore.
Hamilton mettra par ailleurs en scène les aventures d'Harry Palmer, un autre espion, joué par
Michael Caine dans Mes funérailles à Berlin (Funeral in Berlin, 1966). Il tourne également deux films de guerre, considérés comme des réussites du genre La Bataille d'Angleterre (Battle of Britain, 1969) et L'Ouragan vient de Navarone (Force 10 from Navarone, 1978). Au début des années 1980, il dirige deux adaptations de roman d'Agatha Christie :
Le Miroir se brisa (The Mirror Crack'd, 1980) d'après le roman éponyme, et
Meurtre au soleil (Evil Under the Sun, 1982), tiré du roman Les Vacances d'Hercule Poirot.