Ханс Джордж Демельт вырос в Берлине. После экзамена на допуск к обучению в университете (Abitur) в 1940 году пошёл служить в армию в части ПВО. Участвовал в Сталинградской битве, после которой вернулся в Германию и в рамках военной программы изучал физику в университете Бреслау.
В 1944 году был послан на западный фронт, где во время Арденнской битвы попал в плен к американцам. После освобождения в 1946 году продолжил обучение в Гёттингенском университете, в том числе и у таких учёных, как Рихард Беккер (нем.)русск., Ханс Копферман (нем.)русск., Вернер Гейзенберг, Макс фон Лауэ, Вольфганг Пауль и Макс Планк. При похоронах Планка был одним из несущих его гроб. Получил диплом в 1948 году по теме томсоновского масс-спектрометра.
В 1950 году защитил диссертацию, после чего был приглашён в США на место постдока.
В 1952 году перешёл в Вашингтонский университет в Сиэтле, где в 1955 году стал ассистентом профессора, в 1958 году заместителем профессора и в 1961 году профессором.
В 2002 году вышел на пенсию.Демельт был женат на Ирмгард Лассов. У них родился сын Герд. После смерти жены второй раз женился на Диане Дундор.
В 1961 году принял американское гражданство.Умер 7 марта 2017 года в Сиэтле.