Margaret Hamilton se unió al MIT para trabajar en proyectos de software (incluyendo el software meteorológico para Edward Lorenz, padre de la teoría del caos, y el software del sistema SAGE que buscaba aviones enemigos) antes de aterrizar en el contrato del MIT/NASA como programadora principal del ordenador de orientación del Apolo. Trabajó en todas las misiones Apolo tripuladas, así como en muchas misiones no tripuladas. En las misiones tripuladas, Hamilton dirigió el equipo que desarrolló el software de vuelo a bordo de los módulos de mando y lunar. Fue directora de la División de Ingeniería de Software del Laboratorio de Instrumentación del MIT.
El código que desarrolló Hamilton fue el software que utilizarían los dos ordenadores de las naves espaciales Apolo y sería la base de lo que hoy es una industria de ingenieros de software que deben sus carreras a Hamilton y su equipo. El software de vuelo a bordo se construyó para ser asíncrono. Los miembros del equipo asignaban a cada tarea del software una prioridad única. Hamilton desarrolló un software para detectar los errores del sistema y recuperarse de ellos en tiempo real. Esto incluía sus rutinas de prioridad de visualización del hombre en el bucle, que daban al software la capacidad de comunicarse asíncronamente en tiempo real con los astronautas -el software y los astronautas funcionando en paralelo- dentro de un entorno de sistema de sistemas distribuido. Con esto como telón de fondo, las pantallas prioritarias avisaban a los astronautas en caso de emergencia interrumpiendo las pantallas normales de la misión de los astronautas y sustituyéndolas por pantallas de alarma prioritarias, proporcionándoles opciones relacionadas con la emergencia entre las que podían elegir. Este fue el caso del Apolo 11 justo antes de aterrizar en la Luna, cuando el ordenador, como resultado de haber dejado el interruptor del radar de encuentro en la posición incorrecta, se sobrecargó. Las pantallas de alarma de prioridad fueron un recordatorio para que los astronautas volvieran a colocar el interruptor del radar en su sitio. Cuando las pantallas de prioridad les daban a elegir entre «aterrizar» o «no aterrizar», debido a su creencia (y a la del control de la misión) en la integridad del software de vuelo de a bordo, eligieron aterrizar.
Hamilton llevaba a menudo a su hija, Lauren, al trabajo durante las horas libres. En una ocasión, mientras algunos miembros del equipo ejecutaban escenarios de misión en el ordenador de simulación híbrido, Lauren fue a explorar y comenzó a seleccionar las teclas DSKY de forma «no nominal». Puso en marcha un escenario de misión y provocó el fracaso de la misión al seleccionar P01 (pre-lanzamiento) en mitad del curso. Hamilton se preguntó: «¿qué pasaría si un astronauta real seleccionara inadvertidamente P01 durante el curso medio en una misión real?». Esto supondría un gran problema, ya que borraría los datos de navegación. Al no poder añadir código para evitar que el astronauta cometiera este error, Hamilton añadió una nota de programa al software, «no seleccionar P01 durante el vuelo». En la siguiente misión, Apolo 8, el astronauta cometió el mismo error; Hamilton y su equipo pudieron ayudar a los astronautas a volver a cargar los datos de navegación para sustituir los datos destruidos. Ahora contaba con la aprobación para añadir un software que evitara que este problema se produjera en futuras misiones Apolo.
«Hamilton es la persona a la que se le ocurrió la idea de dar un nombre a la disciplina, ingeniería de software, como forma de darle legitimidad». Dirigió un estudio empírico sobre el Apolo y otros esfuerzos posteriores, que dieron lugar a su teoría de sistemas de control. De sus axiomas se derivó el lenguaje universal de los sistemas y su paradigma de automatización y prevención. Hamilton es director general de Hamilton Technologies Inc. Recibió el Premio a la Ley Espacial Excepcional de la NASA (2003) y la Medalla Presidencial de la Libertad del Presidente Barack Obama (2016). Recibió su propio Lego en el set de Lego Mujeres de la NASA.