Niklas Hjalmarsson begann seine Karriere als Eishockeyspieler in seiner schwedischen Heimat in der Jugend des HV71 Jönköping, für dessen Profimannschaft er von 2004 bis 2007 in der Elitserien aktiv war. In diesem Zeitraum wurde der Verteidiger im NHL Entry Draft 2005 in der vierten Runde als insgesamt 108. Spieler von den Chicago Blackhawks ausgewählt.
Für die Blackhawks gab er in der Saison 2007/08 sein Debüt in der National Hockey League. Dabei verbuchte der Schwede in seinem Rookiejahr in 13 Spielen eine Vorlage. In der folgenden Spielzeit spielte der Linksschütze gegen Saisonende regelmäßig in der NHL für Chicago, für das er unter anderem in allen 17 Playoff-Partien zum Einsatz kam. Seitdem er für die Mannschaft aus Illinois aufläuft, spielt er parallel für deren Farmteam aus der American Hockey League, die Rockford IceHogs. In der Saison 2009/10 gewann er mit Chicago den Stanley Cup. Anfang November 2012 wechselte er aufgrund des Lockouts nach Italien. Dort lief er für den HC Bozen aus der Serie A1 auf.[1]
Den Gewinn des Stanley Cups konnte der Schwede in den Jahren 2013 und 2015 mit den Blackhawks wiederholen. Im Juni 2017 – nach zehn Jahren in der Organisation der Blackhawks – gab ihn Chicago im Tausch für Connor Murphy und Laurent Dauphin an die Arizona Coyotes ab. Dort verlängerte er seinen auslaufenden Fünfjahresvertrag, den er im Sommer 2013 mit Chicago geschlossen hatte, im Juni 2018 um zwei weitere Jahre. Nach Ablauf dessen beendete er zunächst seine aktive Karriere, in der er insgesamt 822 NHL-Partien bestritten und dabei 172 Scorerpunkte erzielt hatte. Im November 2022 unterzeichnete Hjalmarsson 16 Monate nach seinem Rücktritt einen Vertrag bei HV71 aus der Svenska Hockeyligan, nachdem er im Oktober begonnen hatte, mit dem Team zu trainieren. Nach 17 Einsätzen zog er sich am Saisonende abermals und endgültig aus dem aktiven Sport zurück.
(Legende zur Spielerstatistik: Sp oder GP = absolvierte Spiele; T oder G = erzielte Tore; V oder A = erzielte Assists; Pkt oder Pts = erzielte Scorerpunkte; SM oder PIM = erhaltene Strafminuten; +/− = Plus/Minus-Bilanz; PP = erzielte Überzahltore; SH = erzielte Unterzahltore; GW = erzielte Siegtore; 1Play-downs/Relegation; Kursiv: Statistik nicht vollständig)