Hamilton nacque a Los Angeles e già al liceo suonò con futuri grandi del jazz come Charles Mingus, Dexter Gordon e Buddy Collette. Subito dopo la scuola, Hamilton suonò con le star dell'epoca, tra cui Lester Young, Count Basie, Duke Ellington e cantanti come Billie Holiday e Lena Horne. Nel primo gruppo che diresse mise in bella evidenza uno strumento inconsueto, il violoncello, il che gli guadagnò la reputazione di musicista anticonvenzionale nell'uso della strumentazione. Nei suoi gruppi successivi figurarono, tra gli altri, altri anticonformisti come Eric Dolphy e Gabor Szabo. Hamilton si dedicò in seguito alla composizione di colonne sonore e jingle per film, televisione e radio. Rimase attivo fino alla sua scomparsa, all'età di 92 anni.
