El siete veces campeón del mundo de Fórmula 1 terminó cuarto, muy cerca del podio, perdiendo terreno en la lucha por el campeonato, con Leclerc en la quinta posición.
Lando Norris, de McLaren, logró la victoria, con los Mercedes de Kimi Antonelli y George Russell en segunda y tercera posición tras intercambiar puestos. Hamilton ahora está igualado a puntos con Russell y a 59 de Antonelli.
Hamilton había comunicado a Ferrari que era más rápido que Leclerc con una estrategia de neumáticos diferente, pero el equipo tardó una vuelta en reaccionar antes de parar a Leclerc en boxes.
"No nos frenemos y busquemos un resultado potencialmente mejor", dijo Hamilton por radio.
"Gran pérdida de tiempo, chicos, buen trabajo", comentó de forma sarcástica después de que Leclerc entrara en boxes y el británico se lanzara a la caza de Russell, terminando a menos de un segundo de él.
Más tarde, Hamilton, que llegó a Ferrari procedente de Mercedes el año pasado, elogió a su equipo y aseguró que la estrategia había sido "en general muy buena", aunque reconoció que había sido una tarde frustrante.
"Estoy aquí para ganar y realmente creo que este equipo puede ganar. No pudimos ganar esta carrera, pero para ganar campeonatos hay que sumar todos los puntos posibles y las últimas carreras han sido complicadas con sanciones y demás", declaró a la televisión Sky Sports.
"Y hoy he perdido varios segundos detrás de Charles, lo que creo que al final habría marcado la diferencia".
La próxima carrera será en casa para Ferrari, en el circuito de Monza, cerca de Milán. Leclerc y Hamilton han ganado cada uno una carrera en la temporada.
Ferrari no gana un campeonato de Fórmula 1 desde la 2008.