Britonen producerade ett fantastiskt varv som var 0,360 sekunder snabbare än Mercedes lagkamrat Nico Rosberg - och verkade som om han kunde gå snabbare.
Men banan var tom för de sista fem minuterna och seniora siffror sade formatet bör omprövas.
Red Bull team chef Christian Horner sade F1 bör "be om ursäkt till fansen".
"Det fungerade inte riktigt för mig", tillade Horner. "Vi har inte riktigt satt upp en show.
"Att ha Sebastian Vettel och Kimi Raikkonen i snabba bilar som inte deltar med fem minuter kvar är fel."
Rosberg låg bakom båda Ferraris efter de första körningarna i slutsessionen, men han tog den andra på sin sista körning framför Vettel och Raikkonen, som kommer att starta den tredje respektive den fjärde.
Den första tävlingen för den nya säsongen kommer igång på söndag klockan 05:00 GMT, med täckning på radio 5 live från 04:00 och online från 03:30.
Rosberg sade direkt efter sessionen: "Det är bra att prova något men det har inte fungerat - så vi borde gå tillbaka."
Ferrari's Vettel, som var kvalificerad tredje men kunde byta ut sina overaller i tid till den post-kvalificerande nyhetskonferensen eftersom han inte sprang i den andra delen av den sista sessionen, sade: "Jag förstår inte varför alla är förvånade över att det inte fungerade.
"Det är lite mer upptagen i början av sessionen men utan anledning. Folk vill se oss pressa till gränsen i slutet av sessionen. Det är fel väg att gå och det är vad vi sa."
Det nya formatet fungerade dock på en nivå. Det gjorde den första och andra delen av sessionen mer upprörd - och ett topp team fångades ut när Red Bulls Daniil Kvyat hamnade 18: e på nätet.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Hamilton var 0.838sek snabbare än Ferrari's Sebastian Vettel, som också var 0.478seks bakom Rosberg.
Marginalen mellan bilarna var sådan att Ferrari bestämde sig för att inte bry sig om att göra en andra körning i den sista sessionen kvalificering eftersom de accepterade att de inte kunde slå Mercedes och föredrog att spara en uppsättning däck för loppet.
Det tyder på att Mercedes ligger lika långt före Ferrari som förra året.
Men Hamilton var faktiskt ännu längre före Vettel i kval i Australien förra året och tyskarna vann nästa lopp i Malaysia.
Hamilton sa: "Jag måste verkligen ta av mig hatten till det här laget - vad de har gjort för att höja ribban igen. Det inspirerar och motiverar mig.
"Jag tyckte om att köra bilen i kval, fick upplägget precis rätt. De var sexiga varv, vacker rytm, det kändes så bra. Jag kände mig som James Brown i slutet av knät."
Vettel tillade: " Vi förväntade oss att de skulle bli starkare i fråga om att kvalificera sig, vilket de var. Mycket nöjd med varvet i slutet så vi sparade en uppsättning för loppet. Vi har fortfarande stora förhoppningar inför morgondagen och det är ett långt år."
Toro Rossos Max Verstappen och Carlos Sainz var femte och sjunde, delad av Williams chaufför Felipe Massa.
Red Bulls Daniel Ricciardo och Force Indias i Sergio Perez och Nico Hulkenberg avslutade topp 10.
McLaren's Fernando Alonso och Jenson Button tog 12th och 13th, en enorm förbättring på deras dystra 2015, och Briton Jolyon Palmer 14th för Renault på hans grand prix debut, före lagkamrat och före detta McLaren föraren Kevin Magnussen.
Australiska GP kvalificerande resultat
Australiska GP täckning detaljer
Lewis Hamilton tog pole position för säsongen öppnar Australian Grand Prix som den nya eliminering kvalificering format kom in för tung kritik.