Totalledande Hamilton, som för första gången startade i pole position i Monaco, gick in i depå efter att Max Verstappen kraschat in i en säkerhetsbarriär på 64:e varvet efter en dumdristig omkörning, och säkerhetsbilen var ute på banan.
Ute ur depån var han helt plötsligt bara trea inför omstarten på det 70:e varvet. ”Jag har förlorat racet, va?” frågade Hamilton över radion, enligt BBC.
Stallchefen i Mercedes Toto Wolff la sig platt efteråt:
– Vi trodde att avståndet var helt annorlunda än vad det var. Det var en total felbedömning. Jag är så ledsen. Vi sabbade det för honom (Hamilton).
Hamilton var diplomatisk efteråt.
– Vi vinner och förlorar tillsammans och nu får vi sätta oss ner och titta på hur vi kan förbättra oss. Nu siktar jag på att komma igen och vinna nästa lopp, säger Hamilton.
Rosberg går nu in i samma skara som Ayrton Senna, Alain Prost och Graham Hill. De har alla vunnit Monacos GP tre gånger i rad.
Marcus Ericsson körde upp sig från 18:e till 13:e utan att få poäng.