Vilda glädjescener utspelade sig efter att 41-åringen varit först över mållinjen i Katalonien. Hamilton vann senast i Belgien i juli 2024, då för Mercedes, men triumferade nu för första gången i en Ferrari-bil.
Det kändes nästan omöjligt förra året, men vi gav aldrig upp hoppet, säger Hamilton i segerintervjun.
George Russell, Mercedes, startade i pole position och hade ledningen fram till det 42:a varvet. Då tajmade Hamilton sitt tredje depåstopp, samtidigt som en virtuell säkerhetsbil saktade ned farten i loppet.
Russell utmanades sedan av stallkamraten Kimi Antonelli om andraplatsen. Antonelli tog sig förbi, men fick sena problem med bilen och tvingades bryta efter att ha vunnit de fem senaste racen.
Den 19-årige italienaren leder fortfarande klart i totalen, men Lewis Hamilton knappar in ordentligt i och med segern. Antonelli har 156 poäng, Hamilton 115.
Hamilton, 41 år och 158 dagar gammal, är den äldsta F1-vinnaren sedan Jack Brabham vann i Sydafrika 1970.
Jag såg Ferrari ha massa framgångar när jag var yngre och funderade alltid på hur det skulle vara att vinna i den här bilen. Det här är bara den första av många, hoppas jag, säger Hamilton.
Russell blev tvåa och Lando Norris, McLaren, trea på en helbrittisk prispall.
Läs mer om formel 1.