Verstappen gjorde sitt enda däckbyte redan på det 25:e av 66 varv. Hamilton gjorde två däckbyten – det sista på varv 43.
Och de fräschare däcken blev avgörande i sluttampen. När den 36-årige britten väl kommit ikapp med sju varv kvar fanns det ingenting för Verstappen att sätta emot. Hamilton vann med knappt 16 sekunder före nederländaren. Valtteri Bottas slutade trea.
– Jag var på väg att få en chans att passera honom precis när jag åkte in i depån. Jag var väldigt ambivalent, "kör jag in eller ska jag ignorera meddelandet (från teamet)?", säger han enligt AFP.
– Jag gjorde vad teamet önskade för att det finns stort förtroende mellan oss. Fantastiskt jobbat av alla i teamet. Vilken dag!
Det är Hamiltons femte raka seger i Spaniens GP. En bedrift bara F1-legendaren Ayrton Senna klarat tidigare, fast i Monaco.
Hamilton och Verstappen har varit topp två i samtliga fyra tävlingar den här säsongen. Hamilton har tre segrar, och Verstappen har vunnit ett lopp.
Segern innebär att britten leder med 14 poäng före Verstappen i sammandraget.