O sete vezes campeão do mundo superou o seu companheiro de equipa, o monegasco Charles Leclerc, e o compatriota George Russell (Mercedes) por 74 e 477 milésimos de segundo, respetivamente.
A Ferrari, que conquistou as últimas quatro poles em Baku graças a Leclerc, teve um primeiro dia muito bom nas margens do Mar Cáspio e poderá surpreender no sábado na qualificação contra os grandes favoritos, os pilotos da McLaren.
"Até agora tudo está a correr bem. Nos trechos longos e numa volta tem corrido bastante bem. Não temos a certeza se vamos escolher pneus macios ou médios amanhã (sábado) e vimos que os muros estão muito próximos da pista", afirmou o diretor francês da Scuderia, Frédéric Vasseur, ao microfone da Canal+.
Muitos pilotos, incluindo os da Ferrari, tocaram nos muros em diferentes pontos do espetacular traçado urbano do Azerbaijão.
Os monolugares da McLaren, por outro lado, não brilharam na segunda sessão do dia. O australiano Oscar Piastri, líder do Mundial, conseguiu apenas o 12.º tempo.
Lando Norris, por sua vez, viu a sua sessão ser interrompida prematuramente a meio da sessão depois de bater num muro e partir a suspensão traseira esquerda. Ainda assim, o britânico conseguiu o décimo lugar.
Atrás do trio da frente, os estreantes Kimi Antonelli (Mercedes) e Oliver Bearman (Haas) conseguiram o quarto e quinto melhor tempo, à frente do neerlandês tetracampeão mundial Max Verstappen (Red Bull).
Liam Lawson (Racing Bulls), Esteban Ocon (Haas) e Alexander Albon (Williams) terminaram em sétimo, oitavo e nono, respetivamente.
Os Alpine voltaram a ter dificuldades com os 16.º e 20.º lugares do francês Pierre Gasly e do argentino Franco Colapinto.
Os pilotos terão uma terceira e última sessão de treinos livres no sábado, a partir das 08h30 GMT, para ajustarem as suas configurações antes da qualificação, agendada para horas depois.
Segunda sessão de treinos livres
Lewis Hamilton (GBR/Ferrari) 1:41.293 (20 voltas)
Charles Leclerc (MON/Ferrari) 1:41.367 (22)
George Russell (GBR/Mercedes) 1:41.770 (18)
Andrea Kimi Antonelli (ITA/Mercedes) 1:41.779 (21)
Oliver Bearman (GBR/Haas-Ferrari) 1:41.891 (22)
Max Verstappen (NED/Red Bull) 1:41.902 (21)
Liam Lawson (NZL/Racing Bulls-Red Bull) 1:41.989 (21)
Esteban Ocon (FRA/Haas-Ferrari) 1:42.167 (22)
Alexander Albon (THA/Williams-Mercedes) 1:42.177 (23)
Lando Norris (GBR/McLaren-Mercedes) 1:42.199 (7)
Carlos Sainz Jr. (ESP/Williams-Mercedes) 1:42.255
Oscar Piastri (AUS/McLaren-Mercedes) 1:42.295
Isack Hadjar (FRA/Racing Bulls-Red Bull) 1:42.443
Yuki Tsunoda (JPN/Red Bull) 1:42.444
Gabriel Bortoleto (BRA/Sauber-Ferrari) 1:42.561
Pierre Gasly (FRA/Alpine-Renault) 1:42.674
Lance Stroll (CAN/Aston Martin-Mercedes) 1:42.771
Nico Hülkenberg (GER/Sauber-Ferrari) 1:42.820
Fernando Alonso (ESP/Aston Martin-Mercedes) 1:42.967
Franco Colapinto (ARG/Alpine-Renault) 1:43.322