Urodził się i wychował wMelbourne[6], w Australii, jako syn Leony (z domu van Os), nauczycielki języka angielskiego, i Craiga Hemswortha, doradcy społeczno-usługowego[7][8][9]. Dorastał także wOutback wBulman ze starszym bratemLukiem (ur. 5 listopada 1980) i młodszymLiamem (ur. 13 stycznia 1990). Ze strony matki jest pochodzeniaholenderskiego, a ze strony ojcabrytyjskiego iniemieckiego[10].
Od wczesnej młodości fascynowały gosztuki walki, trenowałboks ikick-boxing[11]. Uczęszczał do Heathmont Secondary College w Melbourne[12]. Później przeniósł się z rodziną doPhillip Island, na południe od Melbourne[6][13]. Studiował w Screenwise Film & TV School for Actors wSydney[14].
Po raz pierwszy został zaangażowany do roli aktorskiejKróla Artura w dwóch odcinkach serialuGuinevere Jones (2002) na podstawielegend arturiańskich z udziałemDamiena Bodiego. W jednym z odcinków opery mydlanejSąsiedzi (2002) wystąpił jako Jamie Kane, który pracuje w hurtowni części samochodowych Moco. W serialuSądny dzień (2002) pojawił się jako smyk. W 2004 bez powodzenia brał udział w przesłuchaniach do roli Robbiego Huntera w operze mydlanejZatoka serc (Home and Away)[6]. Później powrócił tam, z sukcesem pretendując do roli Kima Hyde. Po wygranym castingu przeniósł się doSydney, aby dołączyć do obsady serialu. Za rolę w produkcji był dwukrotnie nominowany do nagrody Logie Award, którą zdobył w 2005[15]. OpuściłZatokę serc 3 lipca 2007. Hemsworth ujawnił później, że chociaż stał się rozpoznawalny, jego praca w tej produkcji nie przyniosła mu szacunku branży filmowej. Od 26 września do 7 listopada 2006 uczestniczył w piątej edycji programuDancing with the Stars; w parze z profesjonalną tancerką Abbey Ross zajął piąte miejsce.
W niezależnym dreszczowcu kryminalnymGotówka (Ca$h, 2010) u bokuSeana Beana przyjął rolę Sama Phelana, młodego człowieka z ekonomicznymi problemami. W wywiadach zza kulis, reżyser filmu, Stephen Milburn Anderson stwierdził, że Hemsworth był w Stanach Zjednoczonych jedynie przez sześć tygodni, kiedy wziął udział w przesłuchaniu do roli. W listopadzie 2010 czasopismo „The Hollywood Reporter” nazwało Hemswortha jednym z młodych aktorów płci męskiej, którzy są „pchani” do przejęcia Hollywood jako nowi na „A-List”[18]. Redakcja MTV Networks NextMovie.com nazwała go jedną z „nowych gwiazd do obejrzenia w 2011”.
Przełomem w jego hollywoodzkiej karierze stała się rolasuperbohateraThora w filmowej adaptacji komiksuMarvel o tym samym tytuleThor (2011). Początkowo, jego brat, Liam, dotarł do finałowej czwórki kandydatów do roli, a Chris nie wpisał się na listę, ale dostał tę rolę, kiedy reżyserKenneth Branagh postanowił ponownie ocenić wcześniejszych kandydatów. Jego matka pomogła mu z realizacją taśmy na przesłuchanie, grając w niej Odyna. Hemsworth zaplanował też ponowne wcielenie się w Thora w filmieAvengers (2012), tworzonym na podstawie komiksuMarvela o drużynie superbohaterów zebranej do ochrony Ziemi.
W biograficznym dramacie sportowymWyścig (Rush, 2013) wcielił się w postaćJamesa Hunta. W 2014 magazyn „People” koronował go „najseksowniejszym mężczyzną świata”, a w 2016 „Vanity Fair” określił go mianem najprzystojniejszego aktora[19]. Hemsworth za swoją najgorszą rolę uważa postać Nicka Hathawaya w dreszczowcuMichaela MannaHaker (2015)[20], za którą był nominowany doTeen Choice Awards. W 2020 został globalnym ambasadorem perfumBoss Bottled[21].
Był na okładkach magazynów, takich jak „The Hollywood Reporter” (w kwietniu 2011), „Flaunt” (w kwietniu 2011), „Men’s Health” (w maju 2011), „GQ”(w maju 2011), „Out” (w maju 2012), „August Man” (w czerwcu 2012), „Esquire” (we wrześniu 2013), „Backstage” (we wrześniu 2013), „Details” (w listopadzie 2013), „Details” (w czerwcu 2008, we wrześniu 2008, w sierpniu 2011), „Parade” (w czerwcu 2009), „GQ” (w kwietniu 2010), „InStyle” (w marcu 2014), „Vanity Fair” (w styczniu 2016), „Muscle & Fitness” (w sierpniu 2016) i „Vogue” (w listopadzie 2017 zCate Blanchett)[22].
Serwis streamingowy oszacował, że filmTyler Rake: Ocalenie (Extraction, 2020) w ciągu pierwszych czterech tygodni odtworzono naNetflixie ponad 90 mln razy, co oznacza, że produkcja okazała się największą premierą filmową w historii platformy[23].
Na początku 2010, poprzez wspólnego przyjaciela, poznał aktorkęElsa Pataky[24]. Pierwszy raz pokazali się publicznie razem 25 września 2010 na imprezie organizowanej przez LACMA w Los Angeles. Pobrali się 26 grudnia 2010[25]. Mają troje dzieci, córkę Indię Rose (ur. 11 maja 2012)[26] i synów-bliźniaków, Tristiana i Sashę (ur. 18 marca 2014)[27].