Hamilton, que venceu um recorde de seis Grandes Prêmios da China, deu uma volta no Circuito Internacional de Xangai, de 5,451 km, em 1min30s849, em apenas seu segundo fim de semana de corrida com a Ferrari.
O atual campeão mundial Max Verstappen, da Red Bull, ficou em segundo, 0,018s atrás, e Oscar Piastri, da McLaren, em terceiro.
Charles Leclerc foi o quarto na segunda Ferrari, George Russell, da Mercedes, foi o quinto, e o líder do campeonato, Lando Norris, foi apenas o sexto, depois de abortar sua última volta de pilotagem em sua McLaren.
Hamilton saiu de seu carro e foi muito aplaudido pela torcida de Xangai. "Estou um pouco em choque", disse o sete vezes campeão mundial da Grã-Bretanha, que foi apenas o 10° colocado em sua estreia na Ferrari na corrida de abertura da temporada em Melbourne.
"Não acredito que conseguimos uma pole para o sprint. Isso nos coloca em boa posição para a corrida."
Kimi Antonelli, da Mercedes, o RB de Yuki Tsunoda, a Williams de Alex Albon e o Aston Martin de Lance Stroll completaram o top 10.
Todos os carros foram obrigados a usar pneus de compostos médios nas duas primeiras sessões de qualificação de sprint, denominadas SQ1 e SQ2.
Correndo atrás do prejuízo
O novato da Red Bull, Liam Lawson, teve um péssimo começo de fim de semana, não conseguindo sair da primeira sessão depois de ter uma volta excluída por exceder os limites da pista. Ele largará em 20º e último lugar.
A dupla da Alpine, Jack Doohan e Pierre Gasly, Esteban Ocon, da Haas, e a Sauber de Nico Hulkenberg também foram eliminados após a primeira sessão.
Na SQ2, Fernando Alonso ficou em 11º lugar com o Aston Martin e não conseguiu ficar entre os 10 primeiros colocados. Também foram eliminados a Haas de Oliver Bearman, a Williams de Carlos Sainz, a Sauber de Gabriel Bortoleto e o RB de Isack Hadjar.
A corrida de sprint de 19 voltas será realizada na manhã deste sábado (22), antes da qualificação para o Grande Prêmio no final do mesmo dia. No domingo (23), o Grande Prêmio da China terá 56 voltas.