Nacido en Australia en 1983, Chris es el hermano mediano de los actores Luke Hemsworth (Westworld) y Liam Hemsworth (Los juegos del hambre).

Tras haber estudiado en la Escuela de Actores de Cine y TV Screenwise de Sidney (Australia), su carrera despegó en la televisión australiana, donde debutó como el Rey Arturo en la serie Guinevere Jones (2002). Su papel lo compaginó con su trabajo en otras ficciones televisvas  como Neighbours (2002) y The Saddle Club (2003), pero fue en 2004 cuando tuvo su gran oportunidad como protagonista en la telenovela Home and Away, donde trabajó hasta 2007 en el papel de Kim Hyde, por el que recibió premios y nominaciones. Su popularidad fue tal que llegó a participar en la versión australiana del programa Dancing with the Stars, programa televisivo donde actores y otras celebridades aprenden a bailar con profesionales. En Hollywood, tuvo su primera oportunidad en el retorno de Star Trek a la gran pantalla en 2009, pero fue el papel del Dios del Trueno en Thor (2011) el que le lanzó a la fama. En este periodo entre ambas películas, conoció y se casó con la actriz española Elsa Pataky.

Convertido ya en uno de los iconos del Universo Cinematográfico de Marvel, Hemsworth sigue consolidando su carrera alternando papeles de acción (Tyler Rake) como exprimiendo su vis cómica y su lado más divertido (Cazafantasmas, Vacaciones).