Народилася 26 вересня 1956 року в Солсбері, штат Меріленд, США. Її сестра-близнючка Леслі народилася на 6 хвилин раніше (померла 22 серпня 2020 року). Батько загинув в аварії, коли сестрам було 5 років. Мати одружилася з шефом поліції Солсбері. У дитинстві у Лінди була криза близнюків. Через неї Гамільтон потерпає все життя — у неї біполярний афективний розлад. Не лікувалася до 30 років.
Про акторську кар'єру ніколи не мріяла. Кілька років вчилася грати на фортепіано. У школі стала грати у виставах через сестру, їм здавалося кумедним, коли в одній виставі грають дві однакові людини.
Закінчила коледж Вашингтона в Честертауні (штат Меріленд), потім — Інститут Лі Страсберга в Нью-Йорці. 1979 року, закінчивши студію, переїжджає до Каліфорнії.
Кар'єру почала з робіт на телебаченні на початку 1980-х. У кіно дебютувала в 1982 році у фільмі «Гра у вбивство». Роль Сари Коннор у першому «Термінаторі» принесла їй перший великий успіх, а участь у сиквелі (1991) вивела в ранг зірок першої величини. Ця роль принесла їй премію «Сатурн» та нагороду від MTV «за найкращий жіночий образ». Її сестра Леслі грала Т-1000, замаскованого під Сару Коннор, у «Термінаторі 2».
У 1989 році Лінда Гамільтон купила будинок в Арлі (Франція). Переживши викидень, народила сина Делтона. У грудні розлучилася з його батьком Брюсом Ебботом.
Після виходу «Термінатора 2» переїхала до режисера «Термінатора»Джеймса Кемерона. В лютому 1993 року народила дочку Жозефіну. У шлюбі з ним була з 1997 по 1999 рр.
