Родилась в Йеллоу Спрингс (англ.)русск., штат Огайо, куда в своё время из Вирджинии, спасаясь от рабства, бежали её прабабушка и дед, и получила имя в честь родного штата деда. Вирджиния была младшим ребёнком в семье, где было пять детей. В традициях семьи Гамильтон были чтение, сочинение музыки и устное творчество.
Вирджиния поступила в Антиохийский колледж (англ.)русск. в Йеллоу Спрингс, а затем перевелась в Университет штата Огайо. В 1960 году вышла замуж за детского писателя Арнольда Адова (англ.)русск..
Первой книгой Гамильтон был роман Zeely, опубликованный в 1967 году. После этого она опубликовала более 30 книг для юных читателей - романы, биографические очерки, сборники народных сказок. Гамильтон также пользовалась известностью в качестве лектора и преподавателя, её статьи печатались во многих периодических изданиях.
Произведения В.Гамильтон характерны сложностью построения и сложными взаимоотношениями персонажей, определяемые особенностями их внутреннего мира. Главные герои её книг - чернокожие люди, в её произведениях всегда ясно ощущается влияние африканского наследия - истории, обычаев, фольклора. Это заметно в произведениях, посвященных юным афроамериканцам, стремящимся осмыслить свои исторические корни. Для произведений Гамильтон не характерен глубокий психологизм - она углубляется в психологию ровно настолько, насколько необходимо, предпочитая дать возможность читателю найти ответы на затронутые вопросы самостоятельно.
На протяжении писательской карьеры Гамильтон неоднократно была удостоена наград и премий, в том числе - Премии Эдгара По, Coretta Scott King Award, Boston Globe-Horn Book Award, Laura Ingalls Wilder Medal, National Book Award for Young People’s Literature, и премии Х. К. Андерсена.
Ежегодно с 1984 года в университете Кента (англ.)русск. в штате Огайо проходит конференция Вирджинии Гамильтон по мультикультурной литературе для молодежи.
Умерла от рака груди в 2002 году.