Après avoir passé une partie de son enfance à Paris (son père y était attaché de presse à l'Ambassade de Grande-Bretagne), Guy Hamilton débute sa carrière cinématographique à la fin des années 30 comme assistant-réalisateur de Julien Duvivier sur Untel père et fils. Un poste qu'il occupe ensuite aux côtés de Carol Reed (Première désillusion, Le Troisième homme, Le Banni des îles) et John Huston (La Reine africaine).

Fort de cette expérience aux côtés de grands cinéastes, Guy Hamilton passe lui-même derrière la caméra en 1952 avec L'Assassin a de l'humour. Après avoit notamment fait tourner Burt Lancaster et Kirk Douglas dans Au fil de l'épée, le Britannique connaît la gloire en 1964 en réalisant Goldfinger, épisode culte de la saga James Bond emmené par Sean Connery dans le rôle du célèbre agent secret.

Guy Hamilton devient alors l'un des réalisateurs attitrés de la saga 007, pour laquelle il tourne trois autres films. Il retrouve ainsi Sean Connery en 1971 pour Les Diamants sont éternels puis dirige à deux reprises Roger Moore dans Vivre et laisser mourir (1973) et L'Homme au pistolet d'or (1974).

Outre son travail sur la franchise James Bond, Guy Hamilton se distingue également en réalisant les films de guerre La Bataille d'Angleterre (1969) et L'Ouragan vient de Navarone (1978). Dans les années 80, on doit également au cinéaste britannique Le Miroir se brisa et Meurtre au soleil, deux adaptations d'Agatha Christie sur grand écran.