Линда получила образование в колледже Вашингтона, где один из профессоров заявил девушке, чтобы та и не рассчитывала когда-нибудь в будущем зарабатывать актерским ремеслом. Переехав в Нью-Йорк, Хэмилтон начала посещать семинары Ли Страсберга. В конце 70-х годов девушка оставила город контрастов, и переехала в солнечную Калифорнию. Дебютной работой на экране для актрисы стала драма «Насилие и брак: Дело четы Райдаут». Картина была основана на реальной истории об уголовном деле семейной четы Ридеоут. В штате был пересмотрен и принят закон, позволяющий женам подавать жалобы на своих мужей в случае проявлений насилия с их стороны. Партнером Линды по фильму стал начинающий актер Микки Рурк. Через два года молодая актриса появилась в триллере Ника Касла «Игра в убийство».
В 1981 году Хэмилтон приняла участие в съемках полицейского телесериала «Блюз Хилл стрит», который впоследствии был удостоен нескольких премий «Эмми». Затем была роль в фильме ужасов Фрица Кирша «Дети кукурузы», поставленном по рассказу короля жанра Стивена Кинга. Картина получила приз на Международном каннском фестивале. В 1982 году Линда вышла замуж за актера Брюса Эббота. Они расстались в 1989 году, когда Хэмилтон ждала первого ребенка. Тогда актриса приобрела дом во французской глубинке, и переехала туда с целью поправить здоровье, и посвятить себя рождению сына Дэлтона.
Настоящим прорывом в карьере актрисы стал фантастический боевик Джеймса Кэмерона «Терминатор», вышедший на большие экраны в 1984 году. События картины происходили в 2029 году, и рисовали неутешительные сцены постапокалиптического мира будущего. Основа сценария была придумана режиссером в приступе лихорадки. Воплотить режиссерский замысел оказалось довольно сложно, так как никто не хотел финансировать этот проект. Путевку в жизнь картина получила исключительно благодаря стараниям продюсера Гэйл Энн Херд, которая приобрела сценарий за 1 доллар. Вложенные средства принесли головокружительные доходы, профессиональный успех создателям и мировую славу актерам. Через два года зрители увидели Линду в фантастическом фильме «Кинг-Конг жив». Сиквел полностью провалился в прокате. Следующей работой вновь стал фантастический боевик Восход «Чёрной луны», в котором наряду с Линдой снялся Томми Ли Джонс. В 1987 году Хэмилтон приняла участие в успешном проекте – телесериале «Красавица и чудовище». За эту работу она была номинирована на премии «Эмми» и «Золотой глобус». В 1991 году актриса появилась в продолжении фильма Кэмерона «Термина́тор 2: Су́дный день». За роль Сары Хэмилтон получила награду MTV Movie Awards в категориях «Лучшая женская роль» и «Самая желанная женщина». В некоторых сценах актрису подменяла ее сестра-близнец Лесли. После работы в мини-сиквеле «Терминатор 2 3-D: Битва сквозь время» в 1997 году Линда вышла замуж во второй раз. Ее мужем стал Джеймс Кэмерон, от союза с которым еще в 1993 году родилась дочь Жозефина. Для самого режиссера этот брак стал уже четвертым, и продлился всего два года.
