El piloto de 33 años, que salió desde la pole, cosechó el triunfo 69 de su carrera, y cuenta ahora con 40 puntos de ventaja en la clasificación general sobre Vettel, cuando restan seis carreras por disputarse esta temporada.
En la clasificación de constructores, Mercedes supera a Ferrari por 37 puntos.
"El equipo lo dio todo pero me pareció una de las carreras más largas de mi vida", confesó un extenuado Hamilton al bajarse de su monoplaza.
El cuádruple campeón del mundo realizó una muy buena salida que le permitió liderar la carrera en el momento en que entró el coche de seguridad en la primera vuelta tras el accidente entre los dos Racing Point Force India del mexicano Sergio Pérez y del francés Esteban Ocon, quien tuvo que abandonar.
Hamilton sumó su cuarta victoria en las calles de la ciudad-Estado asiático.
El finlandés Valtteri Bottas (Mercedes) finalizó en cuarto puesto, delante de su compatriota Kimi Raikkonen (Ferrari) y del australiano Daniel Ricciardo (Red Bull).