Фамилия Гамильтон — редкий для России случай, когда шотландский аристократический род дал начало русской дворянской фамилии, а затем и фамилии вполне крестьянской. В отличие от большинства русских фамилий на -ов/-ев или -ин, Гамильтон не образована от прозвища или имени предка, а является транслитерацией шотландской фамилии Hamilton. В русский язык она попала через польское посредство (Hamiltоn) или через немецкое произношение, отсюда и написание через «о» в первом слоге, а не через «а».

Основа фамилии — топоним Hamilton в графстве Ланкашир (современный Лестершир), который происходит от древнеанглийских слов hamel (скала, утёс) и dun (холм). То есть Гамильтон — это «тот, кто с холма у скалы». В Шотландии род Гамильтонов ведёт свою историю с XIII века и дал стране множество герцогов, графов и политиков.

В России фамилия Гамильтон закрепилась в XVIII веке благодаря генерал-аншефу Ивану Ивановичу Гамильтону (настоящее имя — Томас Гордон Гамильтон), который перешёл на русскую службу при Петре I. Его потомки обрусели, и фамилия распространилась среди дворянства. Однако есть и другая, более народная линия: в некоторых регионах (например, в Саратовской губернии) фамилию Гамильтон носили крестьяне и мещане. Это объясняется тем, что в XIX веке помещики иногда давали крепостным фамилии своих владельцев — так шотландский лорд мог «породниться» с русским пахарем.

Словообразовательно фамилия стоит особняком: в ней нет русского суффикса принадлежности, она не склоняется по образцу «Гамильтонов» (хотя в XIX веке встречались варианты с -ов, например, Гамильтонов). В современной русской ономастике это редкий пример фамилии-топонима, сохранившей иноязычную форму. Ударение традиционно падает на первый слог: Га́мильтон.