Linda Hamilton se passionne très tôt pour le théâtre et commence à jouer dans des pièces de théâtres lors de sa scolarité.

La future comédienne décide d’embrasser son destin en allant étudier à New York dans le célèbre Lee Strasberg Theatre Institute. Après ses études, n’arrivant pas à percer au théâtre, Linda s’envole pour Los Angeles afin de tenter sa chance au cinéma. C’est pourtant sur le petit écran que l’actrice débute avec des apparitions dans Shirley, Secrets of Midland Heights, King’s Crossing ou Capitain Furillo. La jeune femme s’illustre également dans des téléfilms et fait parler son talent dramatique qui ne va pas tarder à être remarqué par le grand écran.

En 1982, l’ascension de Linda Hamilton connaît un coup d’arrêt brutal. Son manager l’escroque de près de 100.000 dollars et l’actrice se trouve complètement ruinée. Elle bascule dès lors dans l’enfer de l’alcool et de la cocaïne et mettra près de 3 ans à se débarrasser de ses addictions.

La belle et talentueuse Linda voit son abnégation récompensée en 1984 avec l’obtention du rôle de Sarah Connor dans Terminator de James Cameron aux côtés d’Arnold Schwarzenegger. Le film est un immense succès et propulse Linda au rang de star internationale. La comédienne enchaîne ensuite les tournages, autant sur grand que sur petit écran. Elle tourne notamment Les Démons du maïs, Sans issue, King Kong 2 et Monsieur Destinée au cinéma puis prête ses traits à un autre personnage devenu culte, celui de Catherine Chandler dans la série populaire La Belle et la Bête aux côtés de Ron Perlman. Elle y officie 3 saisons durant.

En 1991, James Cameron fait à nouveau appel à elle pour reprendre son rôle cultissime de Sarah Connor dans Terminator 2, toujours en compagnie de Schwarzy. Pour incarner à nouveau la mère de John Connor, Linda suit un entraînement intensif afin de se muscler et sculpter son corps. En effet, Sarah n’est plus la jeune femme timide et apeurée du premier opus mais est devenue par la force des choses une femme forte et déterminée. Terminator 2 est un carton monumental et reste encore considérée aujourd’hui comme le meilleur film d’action de tous les temps. Linda Hamilton devient une icône et sa célébrité est à son paroxysme. Après cet immense succès, la comédienne fait une pause afin de ne pas se laisser enfermer dans le même type de rôle. De plus, elle a entamé une relation avec le cinéaste James Cameron et lui donnera une fille en 1993, Josephine.

Linda revient au cinéma en 1994 avec le thriller Silent Fall puis renoue avec le film d’action dès 1996 avec Haute trahison aux côtés de Charlie Sheen et Le Pic de Dante, film catastrophe où elle donne la réplique à Pierce Brosnan. L’année suivante, la comédienne tourne dans un téléfilm remarqué, La Couleur du courage dans lequel son personnage se lie d’amitié avec une jeune femme noire et suscite l’ire d’un quartier majoritairement blanc.

Par la suite, la vie privée de Linda va la tenir éloignée des plateaux quelques temps. En effet, elle divorce de James Cameron avec pertes et fracas suscitant un engouement médiatique autour du couple phare d’Hollywood. Quelques années après, le cinéaste et la comédienne renouent des liens d’amitié, ce qui poussera Linda à refuser de jouer dans Terminator 3 car Cameron n’était pas à la réalisation. Elle estimait également que le personnage de Sarah Connor ne tenait plus une place primordiale dans l’histoire.

Linda Hamilton tourne ensuite dans des productions sans grande envergure, s’éloignant de plus en plus du star system pour se consacrer à sa famille. On peut la voir notamment dans Missing in America en 2005 aux côtés de Danny Glover ou les drames Pour vivre un grand amour et Broken en 2006.

La comédienne accepte en 2009 de reprendre son rôle de Sarah Connor pour Terminator Renaissance mais seulement en tant que voix-off. Elle consacre ensuite son temps à quelques apparitions dans des séries TV populaires comme Chuck dans laquelle elle incarne la mère du héros incarné par Zachary Levi, Weeds, Lost Girl ou Defiance. En 2019, la comédienne est de retour en chair et en os dans Terminator Dark Fate. Elle y reprend son célèbre rôle de Sarah Connor.