V mladosti je imel nesrečo z motorjem, ko se je zaletel v parkiran avtomobil in imel zato levo nogo krajšo kot desno. Bil je član londonskega veslaškega kluba, katerega barve in osem vesel je krasilo njegovo čelado in kasneje čelado njegovega sina Damona. Graham je prvič sedel za volan dirkalnega avtomobila pri 24 letih, ko je za le en funt dobil v roke dirkalnik znamke Cooper, in naredil štiri kroge. Pozneje je delal kot mehanik pri prvaku formule 3 Donu Parkerju, nato mu je uspelo prepričati šefa Lotusa Colina Chapmana, da ga vzame kot mehanika v svojo ekipo.
Kmalu zatem mu je Chapman ponudil mesto voznika, prvo dirko v ekipi Lotus v formuli 1 pa je odpeljal v Monaku leta 1958, kjer se je vozil na šestem mestu, ko se mu je pokvaril dirkalnik in je moral odstopiti. »Sedel sem v dirkalniku pred začetkom dirke in se spraševal, kaj se bo zgodilo. Obrate motorja sem dvignil na 6000 na minuto. Gledal sem starterja in spustil sklopko, ko je zamahnil z zastavo za začetek, in pospešil kot raketa,« se je pozneje dirke spominjal Graham Hill. Odstopil je na svojih prvih sedmih dirkah od 176, ki jih je odpeljal v prvenstvu, in do prvih točk prišel s šestim mestom v Monzi istega leta.
Ekipa sploh ni bila »luzerska«
Tudi leto pozneje se ni izkazal in po dveh letih razočaranja odšel k ekipi BRM, kjer so njegov potencial videli v tem, da dobro sodeluje z inženirji, saj je bil pred tem sam eden izmed njih. »Vsi so mi govorili, da sem se pridružil luzerski ekipi,« je takrat ocenil Hill. Še dodatno motiviran jim je kmalu dokazal, da se motijo. Na prvi dirki v Argentini se je kvalificiral v prvo startno vrsto, na Nizozemskem dve dirki pozneje je prvič stal na odru za zmagovalce (tretje mesto). Na domači preizkušnji v Silverstonu je vodil do pet krogov pred ciljem, ko se je po težavah z zavorami zavrtel v zavoju Copse in zmago prepustil Jacku Brabhamu.
Leto 1961 je bilo spet porazno, saj je imela ekipa v primerjavi s tekmeci preslab motor. Te težave so rešili naslednje leto, ko je prvič postal svetovni prvak. Že pred sezono je zmagal na dveh dirkah, ki nista šteli za SP, slavil pa je tudi na prvi dirki sezone za VN Nizozemske v Zandvoortu, končno dosegel svojo prvo od 14 zmag v formuli 1 in sezono končal s štirimi prvimi mesti. V naslednji sezoni je obrambo naslova začel s prvo od petih zmag v Monaku, zato se ga je pozneje prijel vzdevek Gospod Monako, zaradi nezanesljivosti dirkalnika pa je sezono končal drugi.
Tik pred zdajci brez naslova
Ena najbolj napetih sezon v formuli 1 je bila leta 1964. Hill je izgubil naslov na zadnji dirki v Mehiki, kjer je slabo startal, a se hitro prebil do tretjega mesta, ki mu je prinašalo naslov prvaka. Takrat pa ga je ob prehitevanju zadel Lorenzo Bandini s Ferrarijem in Hill je odstopil. V zadnjem krogu je odstopil vodilni na dirki Jim Clark in s tem izgubil praktično dobljeno prvenstvo. Hill je že mislil, da je postal prvak, a je Bandini spustil predse ekipnega sovoznika Johna Surteesa, ki je postal svetovni prvak in je do zdaj edini, ki je bil najboljši tako v formuli 1 kot v najmočnejšem motociklističnem prvenstvu, kjer je bil prvak kar štirikrat. Naslednje leto je bil Hill v prvenstvu še tretjič zapored drugi, tokrat za Clarkom.
Čeprav je bilo leto 1966 zanj zelo slabo, saj prvič po letu 1961 ni dobil nobene dirke in je sezono končal šele na petem mestu, pa je dobil Indy 500, potem ko je njegov sovoznik v istem moštvu Jackie Stewart odstopil deset krogov pred koncem. Naslednje leto se je vrnil k Lotusu, kjer je sprejel izziv, da si garažo deli z velikim tekmecem Clarkom. Dosegel je le dve drugi mesti, saj je imel težave z zanesljivostjo dirkalnika in je prvenstvo končal šesti. Sledilo je novo sanjsko leto, saj je bil spet svetovni prvak. Na prvi dirki sezone v Južni Afriki je končal za moštvenim sovoznikom Clarkom, ki pa se je še pred drugo dirko v sezoni ubil na dirki formule 2 v Hockenheimu.
Ustanovil je Embassy Hill
Leta 1969 je Hill še petič zmagal na VN Monaka. Ta rekord je zdržal do leta 1993, ko ga je zrušil Ayrton Senna. Na predzadnji dirki sezone v Wotkins Glenu je Hill doživel hudo nesrečo in si zlomil obe nogi. Ko so ga novinarji v bolnišnici vprašali, ali želi kaj povedati svoji ženi, je dejal: »Povejte ji le to, da dva tedna ne bom mogel plesati.« Kljub drugačnim napovedim je bil na startu naslednje sezone, čeprav je komaj hodil. Točke je osvojil na prvih treh dirkah, a je prvenstvo končal šele na 13. mestu. V letih 1971 in 1972 je nastopal za Brabham, a višje od petega mesta v Avstriji in Italiji ni zmogel.
Je pa leta 1972 skupaj s sovoznikom Henrijem Pescarolo z Matro prišel do zmage na dirki 24 ur LeMansa in tako dosegel trojno krono. Nato je s pomočjo sponzorstva cigaretne znamke Embassy ustanovil lastno ekipo v formuli 1, Embassy Hill, za katero je brez večjih uspehov vozil tri sezone in na predvečer domače dirke v Silverstonu 1975 tudi uradno naznanil svojo upokojitev. Njegov rekord 176 startov v formuli 1 je zrušil šele Jacques Laffite leta 1986.
Umrl je v letalski nesreči novembra 1975 skupaj s petimi člani svojega moštva Embassy Hill, le nekaj mesecev po upokojitvi, ko se je kot pilot letala v gosti megli vračal s testiranja na dirkališču Paula Ricarda. Njegov sin Damon Hill je postal svetovni prvak v formuli 1 leta 1996 in sta bila prva naveza oče in sin, ki je osvojila naslov. To je do zdaj uspelo le še Kekeju (1982) in Nicu Rosbergu (2016).