Na te hebben gediend in de Royal Navy, keerde Graham Hill terug als techneut bij Smiths Instruments. Op pas 24-jarige leeftijd had Hill zijn rijbewijs. Hij was voorheen geïnteresseerd in motorfietsen, maar nadat hij in 1954 via een reclamespot van de Universal Motor Racing Club een aantal rondes reed in een Cooper 500 Formule 3 auto op Brands Hatch, richtte hij zich compleet op de autosport. Hij kwam in eerste instantie als monteur terecht bij Team Lotus, maar praatte zich geleidelijk aan om achter het stuur plaats te nemen. De stap van Lotus naar de Formule 1 zorgde ervoor dat Hill zijn debuut maakte in het kampioenschap tijdens de Grand Prix van Monaco in 1958. Hills eerste periode met Lotus was niet succesvol, waar het team doorgaans met de betrouwbaarheid van het materiaal vocht. Deze frustratie deed Hill beslissen om in 1960 de overstap te maken naar het team van BRM.
Uitkomend voor Owen Racing Organisation behaalde Hill zijn eerste podiumplaats, eindigend als derde, in de Grand Prix van Nederland in 1960. Het langverwacht succes kwam uiteindelijk in het seizoen 1962, toen hij vier Grands Prix op zijn naam schreef, en voor het eerst de wereldtitel met een grote marge op landgenoot Jim Clark (actief voor Lotus) kon vieren. Zijn resterende jaren bij BRM waren niet van hetzelfde kaliber succes. Echter, Hill wist zich wel drie jaar achtereenvolgens te klasseren op de tweede positie in het kampioenschap. In deze zelfde periode wist hij ook zijn succesvolle relatie met de Grand Prix van Monaco te starten; hij won de race tussen 1963 en 1969 vijf keer (een record dat later werd verbeterd door Ayrton Senna). Buiten de Formule 1 om, won hij in 1966 tevens de Indianapolis 500, achter het stuur van een Lola-Ford.
Hill maakte voor het seizoen 1967 een terugkeer bij Lotus, het team dat met Jim Clark inmiddels al grote successen had behaald. Hill werd een belangrijke schakel in de ontwikkeling van de Lotus 49 met de nieuwe Cosworth-V8 motoren. Na de tragische dood van teamgenoten Clark en Mike Spence, nam Hill het team van Lotus in 1968 op sleeptouw. Hij werd met drie overwinningen en nog eens twee andere podiumplaatsen, voor de tweede keer in zijn carrière wereldkampioen. Ondanks dit succes hadden de Lotus auto's ook de reputatie onveilig te zijn, onder andere door de opkomst van aerodynamische onderdelen, die vergelijkbare ongelukken veroorzaakte bij Hill en collega-rijder Jochen Rindt tijdens de Grand Prix van Spanje in 1969. Opnieuw een zwaar ongeluk tijdens de Grand Prix van de Verenigde Staten op Watkins Glen International later dat jaar, zag Hill allebei zijn benen breken. Hill maakte een voorspoedige revalidatie mee, maar zou niet meer een terugkeer maken bij de officiële Lotus inschrijving van Colin Chapman. Daarentegen kreeg hij in het seizoen 1970 een plaats binnen het team van Rob Walker, die Hill nog de gelegenheid gaf om aan races deel te nemen in een splinternieuwe Lotus 72. Verder dan enkele finishes binnen de punten kwam het echter niet.
Hill kwam in 1971 terecht bij Brabham; het team waarmee hij zijn laatste Formule 1 race zou winnen tijdens de International Trophy op het circuit van Silverstone, weliswaar een ronde die buiten het kampioenschap viel. Het team ontbrak het na het vertrek van Jack Brabham echter aan organisatie, en Hill voelde zich nooit op zijn plaats binnen het team. Twee onvruchtbare jaren deed hem vervolgens besluiten een eigen team op te richten. Het team maakte in haar eerste twee seizoenen gebruik van chassis van Shadow en Lola, en Hill fungeerde hierin zowel in de rol van teamleider als eerste coureur. Vanaf het seizoen 1975 ging het team over naar een eigen ontworpen en gebouwd chassis. Na zich niet te hebben gekwalificeerd voor de dat jaar verreden Grand Prix van Monaco, besloot Hill voorgoed te stoppen met rijden, en daarinplaats zich volledig te richten op het beheren van het team.
Hills record van 176 gestarte Grands Prix bleef ruim een decennium staan, toen het uiteindelijk werd geëvenaard door Jacques Laffite.
Ondanks zijn concentratie op de Formule 1, heeft Hill gedurende diezelfde periode ook uitstappen gemaakt naar andere disciplines. Hij nam meerdere malen deel aan de 24 uur van Le Mans (waaronder twee participaties in een Rover-BRM met een gasturbine). Toen zijn activiteiten in de Formule 1 minder werden, werd Hill onderdeel van het Matra fabrieksteam, waarmee hij in 1972 samen met Henri Pescarolo de beroemde race won. Dit deed ervoor zorgen dat Hill de eerste (en vooralsnog enige) rijder werd die de "Triple Crown" in motorsport wist te behalen, nadat hij al eerder de Grand Prix van Monaco en de Indianapolis 500 won.
Overlijden
Op 29 november 1975, tijdens een terugkeer per vliegtuig van het Paul Ricard-circuit in Frankrijk, waar Hill met zijn team testwerk had uitgevoerd, verongelukte het Piper Aztec-toestel dat hij zelf bestuurde, nadat hij had geprobeerd om in mistige omstandigheden te landen nabij de golfbaan in Arkley vlak bij Londen. Hierbij kwamen Hill en nog vijf andere leden van het Embassy Hill team, onder wie de veelbelovende jonge coureur Tony Brise, om het leven. Toen bleek dat Hill niet verzekerd was, werd zijn vrouw aansprakelijk gesteld door de erfgenamen van de andere slachtoffers. Hills nalatenschap ging vrijwel geheel op aan kosten en regelingen.
Complete resultaten in de Formule 1
Races vetgedrukt betekent pole positie, races cursief betekent snelste ronde.
.svg){kind=small}
