Hemsworth, Melbourne, Avustralya'da 11 Ağustos 1983 tarihinde Leonie ve Craig Hemsworth'un ortanca oğulları olarak dünyaya geldi. Ailesi Philip Island'a geçmeden önce Northern Territory bölgesindeki bir sığır çiftliğinde yaşadı. Kendisi gibi oyuncu olan Liam Hemsworth kardeşidir. Chris spor olarak sörf yapmaktan zevk alıyor.
2004 yılında Home and Away dizisinin Robbie Hunter rolü için seçmelere katıldı ama başarılı olamadı. Ardından Kim Hyde rolü için geri çağrıldı. Kim Hyde rolüne seçildi ve dizinin 185 bölümünde oynadı. Dizi için Sidney'e taşındı. 3 Temmuz 2007 tarihinde diziyi bıraktı. İki Logie adaylığı aldı. 2005'te en iyi genç yetenek dalında Logie ödülü kazandı.
Hemsworth 2009 J. J. Abrams yapımı Star Trek filminin açılış sahnesinde James T. Kirk'ün babası George Kirk'ü canlandırdı. Aynı yıl A Perfect Getaway filminde gerilim karakteri Kale'i canlandırdı.
Hemsworth Marvel Comics'in süper kahramanı Thor'u canlandırdı. İlk başta bu rol için kardeşi Liam son 4'e yükseldi ama yönetmen Kenneth Branagh son anda önceki adayları değerlendirme kararı aldı ve role Chris Hemsworth'u seçti. Hemsworth ayrıca 2012'de vizyona giren The Avengers filminde tekrar Thor'u canlandırdı.
2010'da Ca$h filminde ekonomik açıdan sorunlu genç bir adamı oynadı. Hemsworth Mayıs 2011'de Snow White and the Huntsman filminde Kristen Stewart'la kamera karşısına geçti.
Aktris Elsa Pataky ile evlidir. 25 Eylül 2010 tarihinde LACMA tarafında Los Angeles'ta düzenlenen bir partide ilişkileri başladı ve üç ay sonra evlendiler. Çiftin şimdi üç çocuğu bulunmakta: kızları India Rose (d. Mayıs 2012) ve ikiz oğlanları, Tristan ve Sasha (d. Mart 2014).
