Le moindre petit rôle peut entraîner une vocation d’acteur. Pour Jon Hamm, ce fût celui de Winnie L’Ourson dans un spectacle de son école alors qu’il était en C.P. Il est alors dans son Missouri natal. Entre son bac en option arts dramatiques au John Burrough High School (où il croise une certaine Sarah Clarke) et ses études à l’université du Texas, puis du Missouri, il se consacre à la réalisation de ce rêve. Durant ses années d’études, il participera à une production de la pièce de William Shakespeare, "Le songe d’une nuit d’été". Après ses études, il enseigne pendant 3 ans l'art dramatique avant de déménager, en 1996, à Los Angeles. Malheureusement, sa carrière ne décolle pas et il ne fait que de la figuration, dont dans une scène pour la célèbre série Ally McBeal.

L'an 2000 change la donne ! Il fait une apparition très discrète dans deux séries The Hughleys et The Trouble with Normal et obtient un petit rôle mineur, à la limite de la figuration dans le film de Clint Eastwood, Space Cowboys. En 2001, il continue avec les petits rôles dans des films indépendants dont La Tentation de Jessica, écrit par sa compagne, Jennifer Westfeldt. C’est cette même année qu’il obtient son premier rôle notable, dans la série Providence. Il joue Burt Ridley, un personnage qui originellement ne devait apparaître que dans un seul épisode. Cependant, la production a tant aimé Hamm que Burt Ridley revient pour 13 épisodes.

Grâce à sa participation à la série, son talent commence a être remarqué. Ainsi, en 2002, il obtient le rôle du Capitaine Matt Dillion dans le film de Randall Wallace Nous étions soldats. Cette même année, il apparaît dans un épisode de Gilmore Girls et obtient un rôle récurrent dans les saisons 3 et 4 de Division d'élite. Après son départ de la série en 2004, il accumule les petits rôles. Outre sa participation aux films The Ten et Ira and Abby, il joue dans des épisodes de Charmed, Les Experts : Miami ou encore Numb3rs. En 2006, il revient un peu sur le devant de la scène en obtenant des rôles récurrents dans What about Brian et The Unit : Commando d'élite.

C’est en 2007 que sa carrière explose. Après de nombreux essais avec les directeurs de casting de Mad Men, il est engagé pour interpréter Don Draper, le héros de la série. C’est un véritable succès, aussi bien critique que public et la renommée de Jon Hamm et de la série traverse les frontières. L'acteur est alors internationalement connu et les récompenses affluent. Cette popularité lui ouvre les portes du cinéma. Il est le docteur Michael Granier aux côtés de Keanu Reeves dans Le Jour où la Terre s'arrêta. En 2009, il est à l’affiche du thriller Stolen Lives.

Outre, quelques apparitions en guest-star à plusieurs épisodes de 30 Rock, il prête sa voix au personnage de Brogan pour Shrek 4, il était une fin. Il est aussi à l’affiche de Howl et du film The Town réalisé par Ben Affleck. L'année 2011 est tout aussi chargée entre Sucker Punch et une comédie avec Kristen Wiig, Mes meilleures amies. En 2014, il incarne le personnage principal de Million Dollar Arm, celui d'un recruteur se rendant en Inde pour dénicher les talents du baseball de demain. Le film passe relativement inaperçu.

Après l'arrêt de Mad Men, Jon Hamm apparaît, côté cinéma, dans les comédies d'action Les Espions d'à côté et Baby Driver, les thrillers Opération Beyrouth et Sale temps à l'hôtel El Royale, le film de SF Lucy in the Sky, le biopic signé Clint Eastwood Le Cas Richard Jewell (où il campe un ignoble agent du FBI) et le très attendu Top Gun: Maverick, suite du film culte de 1986. Parallèlement, le comédien est très actif dans le doublage (Les Minions, TripTank, Unbreakable Kimmy Schmidt, M.O.D.O.K., Bless the Harts). Il n'en oublie par ailleurs pas les séries, comme en témoigne sa prestation dans Good Omens.