Desde 2005 compite en el equipo Joe Gibbs Racing de la NASCAR Cup Series para la marca japonesa Toyota.

En 2005, Hamlin disputó la temporada completa de la NASCAR Busch Series, nuevamente para el equipo Joe Gibbs.

En la NASCAR Busch Series, logró tres victorias y 11 top 5 en 22 carreras disputadas, quedando 13º en el clasificador final.

Por otra parte, ganó una carrera en la Nationwide, quedó segundo en dos y terminó entre los diez primeras e las dos restantes.

En su décima temporada con el equipo Gibbs, Hamlin ganó las 500 Millas de Alabama y tuvo buenos resultados en la Caza por la Copa NASCAR, por lo que alcanzó la ronda final.

Finalizó séptimo en la fecha final en Homestead, resultando tercero en el campeonato por detrás de Kevin Harvick y Ryan Newman.

; además cosechó dos victorias más en la temporada regular, para avanzar a la Caza, donde quedó eliminado en la tercera ronda.

En 2018 Hamlin tuvo su primera temporada completa sin victorias en Copa NASCAR, logró 10 top 5, y finalizó undécimo en la tabla de pilotos.

En 2020, Hamlin triunfó en siete carrera, incluyendo su tercera 500 Millas de Daytona, y llegó 18 veces entre los cinco primeros.

Se clasficó para la carrera por el título, en la que finalizó cuarto, quedando por detrás de los otros tres contendientes por el campeonato.

En la carrera por el campeonato, Hamlin finalizó tercero, queando detrás de dos contendientes por el título, Kyle Larson y Martin Truex Jr.