В 1989 году Хэмм поступил в университет в Техасе, однако, из-за смерти отца оставил обучение на втором курсе. Джон вернулся в родной Миссури, чтобы там продолжить образование. Однажды на глаза Джонатану попалось рекламное объявление, в котором приглашались актеры для шекспировской постановки «Сон в летнюю ночь». Он прошел прослушивание и получил роль.

Позднее Хэмм сыграл Леона Чолгоша в мюзикле «Убийцы», в котором повествуется о людях, покушавшихся в разное время на жизни американских президентов. Получив высшее образование, в 1993 году Джон вернулся в среднюю школу, чтобы работать учителем старших классов и тем самым поблагодарить за поддержку, которую оказала школа в трудное для него время. Одной из его учениц была актриса Элли Кемпер  (известна сейчас по роли в сериале «Офис»). Однако карьера школьного учителя Джонатана явно не устраивала. В 1995 году Джон сел на автомобиль и со 150 долларами в кармане уехал в Лос-Анджелес, где жил его давний друг, голливудский актер Пол Радд. Как и многие начинающие актеры Хэмм устроился на работу официантом, а в свободное время посещал всевозможные прослушивания в поисках «той самой роли».

Джонатану пришлось нелегко не только в поисках счастливой роли, а роли как таковой в принципе. Ведь он выглядел намного старше своих сверстников и поэтому не подходил для молодежных сериалов и фильмов. Незадолго до своего 30-го дня рождения Хэмм сказал, что если в течение пяти лет он не смог ничего изменить в своей жизни, значит, он на неправильном пути. И как только актера посетили мысли о несостоявшейся актерской карьере, он получил свои первые значимые роли. В 2000 году Джон исполнил роль пожарного Ридли в драматической ленте «Провиденс»,  затем последовала дебютная работа в большом кино – роль пилота в приключенческой картине «Космические ковбои». В 2001 году актер появился в фильме «Целуя Джессику Стейн», в 2002-м – в военной картине «Мы были солдатами», съемки которой совпали с 30-летием Хэмма.

С 2002 по 2004 год Джонатан исполнял роль полицейского в сериале «Женская бригада» и несколько второстепенных ролей в других телевизионных проектах – «Что насчет Брайана», «4исла», «Отряд «Антитеррор», «Связанные», «Программа Сары Сильверман» и «C. S.I: Майами». В 2007 году в карьере актера произошел настоящий прорыв – состоялась премьера сериала «Безумцы», в котором Джонатан исполняет главную роль. Более 80 кандидатов претендовали на роль Дона Дрейпера. Хэмм как-то признался, что он совсем не ожидал, что его утвердят на роль, ведь на прослушиваниях было полно актеров с довольно внушительным портфолио.

Автор сценария Мэттью Уэйнер сначала решил, что Хэмм выглядит слишком солидно для этой роли, но потом изменил свое мнение. Кроме того актер и персонаж, который ему нужно было воплотить, имеют схожее детство без родительского тепла. И Уэйнер не ошибся. Уже после премьерного показа зрительская аудитория составляла почти полтора миллиона зрителей и количество поклонников, как и восторженных отзывов, росло.

В 2008 году Хэмм был награжден первым «Золотым глобусом» в номинации «Лучший исполнитель мужской роли в драматическом сериале». В этом же году актер был номинирован на Emmy и премию Гильдии киноактеров. В 2009 году Джон снова был номинирован на «Золотой глобус», премию Гильдии киноактеров и Emmy. В 2010 году Хэмм был в третий раз номинирован на «Золотой глобус». Следующей работой актера стала роль в научно-фантастической ленте «День, когда Земля остановилась» (2008 год). Фильм был отрицательно воспринят критиками, но имел внушительный кассовый успех. В 2009 году в качестве приглашенной звезды Хэмм появился в трех сериях комедии «Студия 30» с Тиной Фей. Джон исполнил роль доктора Дрю Байрда и эта работа принесла актеру очередную номинацию на Emmy.

В 2009 году Джонатан исполнил главную роль в триллере «Мальчик в коробке», в следующем году актер озвучивал мультперсонаж в анимационном фильме «Шрэк Навсегда». Его следующие роли – агент ФБР в картине «Город воров», а затем адвокат в драматической картине «Вопль». В марте 2011 года с участием Хэмма вышел фильм Зака Снайдера. В настоящее время Джонатан участвует в съемках комедии «Друзья с детьми», автором и режиссером которой является гражданская жена актера – Дженнифер Уэстфелд.